MEDICIÓN DE VARIABLES PARA EL DESARROLLO DE...

MEDICIÓN DE VARIABLES PARA EL DESARROLLO DE UN VEHÍCULO

COHETE NO TRIPULADO

ELVIA CATHERINE ESPEJO CAÑÓN

CARLOS EMILIANO MARTÍNEZ CRISTANCHO

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA MECATRÓNICA

BOGOTÁ, D.C.

2005

MEDICIÓN DE VARIABLES PARA EL DESARROLLO DE UN VEHÍCULO

COHETE NO TRIPULADO

ELVIA CATHERINE ESPEJO CAÑÓN

CARLOS EMILIANO MARTÍNEZ CRISTANCHO

Trabajo de Grado para optar al título

de Ingeniero Mecatrónico

Director

ROBERTO BOHORQUEZ

Ingeniero Electrónico

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA MECATRÓNICA

BOGOTÁ, D.C.

2005

Nota Aceptación

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Firma del presidente del Jurado

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Firma del Jurado

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Firma del Jurado

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Asesor Metodológico

Bogotá D.C., 15 de Diciembre de 2005

A Dios, nuestros padres y familias, y a

todos aquellos que confiaron en nuestras

capacidades.

AGRADECIMIENTOS

A Dios, a nuestros maestros, especialmente a nuestro Director de Tesis Ingeniero

Roberto Bohorquez quien hizo posible por su colaboración, paciencia y gran apoyo

el desarrollo de este trabajo, al Ingeniero Pedro Luis Muñoz por su cooperación y

guía, a la Docente Amanda Moya por su dedicación y sugerencias al cuerpo del

trabajo.

A mi madre Myriam Cañon quién siempre esta en los grandes momentos de mi

vida, por su dedicación y entrega en mi formación como persona, por sus sabios

consejos y confianza en mis capacidades, a mi padre Humberto Espejo por su

apoyo incondicional y firme en mi formación como profesional, por creer en mí y

por sus aportes a mi vida. A mis hermanas Johanna, Deyanira y Adriana junto con

mi sobrina Tatiana quienes me impulsaron a ser cada día mejor y culminar mi

carrera con éxitos, a todos aquellos que de una u otra forma creyeron en mí y

formaron parte de este trabajo.

Elvia Catherine Espejo Cañon.

A mi abuelo Emiliano Cristancho quien con sus palabras quiso imprimir en mi un

sello de Sabiduría y Caballerosidad, a mi abuela Amalia Peña por el Amor que me

brinda, a mi madre Lucy Cristancho por su apoyo y consejos en los momentos de

desfallecimiento, de igual manera a mis tíos Carlos y Esteban quienes siempre

han sido ejemplo a seguir, a mi tía Dora Cristancho quien siempre creyó en mi y

me brindó su apoyo y gran sabiduría. A mi tía Gladys, a mi prima Alejandra y a mis

hermanas Sandra y Angélica quienes siempre me apoyaron y confiaron en mí. Y a

todos aquellos que creyeron en mí. También quisiera agradecer a mis dos amigos

Paco y Andrés.

Carlos Emiliano Martínez Cristancho

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Diagrama De Bloques Para Definición Del Problema 4

Figura 2. Rigidez En El Espacio 15

Figura 3. Precesión Giroscópica 15

Figura 4. Función De Transferencia Ideal De Un CAD 20

Figura 5. Estructura De Un Microcontrolador 21

Figura 6. Arquitectura Von-Neuman 26

Figura 7. Arquitectura Harvard 27

Figura 8. Disposición De Los Pines De La LCD 29

Figura 9. Grupos De Funciones Microgrades (Estructuras, Combinatorias,

Secuenciales, Movimiento, Comparadores) 35

Figura 10. Grupos De Funciones Microgrades (Aritméticas, Funciones, Rotaciones,

Especiales) 36

Figura 11. Menú De Configuración En Microgrades 36

Figura 12. Disposición De Elementos En Una Tarea 37

Figura 13. Esquema General Protocolo I2C 39

Figura 14. Disposición Típica De Pines En Dispositivos Síncronos I2C 41

Figura 15. Disposición Típica De Pines En Dispositivos Síncronos SPI 41

Figura 16. Icono VISA Configure Serial Port 44

Figura 17. Icono VISA Write. 45

Figura 18. Icono VISA Read. 45

Figura 19. Icono VISA Close 46

Figura 20. Diagrama General Del Sistema 47

Figura 21. Variables De Entrada Del Sistema 51

Figura 22. Salidas Del Sistema 53

Figura 23. Identificación De Variables De Entrada Y Salida Del Sistema 53

Figura 24. Diagrama Del Giróscopo CRS03-04 56

Figura 25. Tensión De Salida En Función De La Diferencia De Presión 59

Figura 26. Encapsulado MPX4115A Caso 867-08 Elemento Básico 59

Figura 27. Designación De Pines Y Circuito De Conexión 60

Figura 28. Diagrama del Sensor CLX-LP10LP3 63

Figura 29. Acondicionamiento De Señal De Los Sensores 64

Figura 30. Filtro Pasa Bajas 65

Figura 31. Filtro Pasa Bajas De Segundo Orden Activo Para El Sistema 67

Figura 32. Pines LM1458 68

Figura 33. Circuito De Protección En La Entrada Al MCU 68

Figura 34. Funcionamiento Del Circuito De Protección 68

Figura 35. Circuito De Protección En La Entrada Al MCU Del Sistema 70

Figura 36. Relación del Conversor Análogo-Digital Ideal Para El Sistema 71

Figura 37. Asignación De Pines Motorola MC68HC908GP32 78

Figura 38. Disposición De Pines EEPROM 24LC256 79

Figura 39. Disposición De Las Memorias EEPROM Para El Sistema 81

Figura 40. Conexión De La LCD Con El Sistema 82

Figura 41. Carga Del Condensador De La Interfaz Optoacoplada 83

Figura 42. Comportamiento Del TRIACK Accionado 85

Figura 43. Salida Optoacoplada Con TRIACK Para El Sistema 86

Figura 44. Esquema De Funcionamiento De La Salida Optoacoplada Con

Transistor 87

Figura 45. Salida Optoacoplada Con Transistor Para El Sistema 89

Figura 46. Esquema Funcional Del Programa 90

Figura 47. Configuración de Núcleo Estructura 91

Figura 48. Configuración de Núcleo Recursos 92

Figura 49. Configuración Núcleo Estados 93

Figura 50. Menú de Interfaz Análoga 94

Figura 51. Menú De Entradas Y Salidas Digitales 95

Figura 52. Configuración Del Display 96

Figura 53. Configuración De La Transmisión Serial 96

Figura 54. Configuración Especiales 97

Figura 55. Configuración De Formatos 97

Figura 56. Configuración De Datos 98

Figura 57. Desarrollo De La Inicialización 99

Figura 58. Desarrollo De La Tarea Rápida 99

Figura 59. Desarrollo De La Tarea Normal 100

Figura 60. Estado De Reposo 101

Figura 61. Estado De Referencias 102

Figura 62. Estado De Monitoreo1 103

Figura 63. Estado De Captura 103

Figura 64. Estado De Monitoreo2 104

Figura 65. Estados De Transmisión 105

Figura 66. Pantalla Principal 106

Figura 67. Diagrama De Programación Pantalla Principal 107

Figura 67. Panel De Parámetros De Los Sensores 108

Figura 69. Diagrama De Programación Parámetros De Inclinación. 109

Figura 70. Iconos De Los Subvi De Parámetros De Los Sensores. 109

Figura 71. Panel De Visualización Gráfica 110

Figura 72. Llamado Del Subvi Para Los Parámetros 111

Figura 73. Configuración Del Puerto Serial 112

Figura 74. Configuración Para Escritura En El Puerto 112

Figura 75. Retardo De Seguridad 113

Figura 76. Configuración Del Puerto Para La Recepción De Datos 113

Figura 77. Procesamiento De Las Señales De Inclinación 114

Figura 78. Procesamiento De La Señal De Altura 115

Figura 79. Procesamiento De La Señal De Aceleración 116

Figura 80. Visualización De Datos 116

Figura 81. Creación Del Reporte 117

Figura 82. Cierre Del Puerto De Comunicaciones 117

Figura 83. Disposición De Los Ejes Del Vehiculo 118

Figura 84. Vista De La Tabla De Los Datos Adquiridos En La Macros 120

Figura 85. Vista De La Tabla De Los Datos Procesados En La Macros 120

Figura 86. Vista Típica De Las gráficas De La Macro 121

Figura 87. Delimitación Máxima De La Longitud De La Placa 124

Figura 88. Disposición De La Placa 125

Figura 89. Análisis De Fuerzas Y Momentos En La Placa 126

Figura 90. Sección Transversal Rectangular 127

Figura 91. Tipo De Montaje Del Actuador Eléctrico De La Compuerta 130

Figura 92. Vista Superior De La Compuerta 132

Figura 93. Centroide De La Compuerta. 135

Figura 94. Disposición De Los Momentos En La Compuerta 135

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Microcontroladores Marcas y Tipos 22

Tabla 2. Familia Motorola 68HC08 de 8 bits 23

Tabla 3. Familia Motorola 68HC12 de 16 bits 23

Tabla 4. Familia Motorola ColdFire 32 bits 24

Tabla 5. Familia TEXAS MSP430 de 16 bits 24

Tabla 6. Familia PSD de ST de 8 bits 25

Tabla 7. Familia PHILIPS LCP y familia flash de 8 bits 25

Tabla 8. Familia INTEL StrongARM de 32 bits 26

Tabla 9. Ventajas y desventajas de los actuadotes 31

Tabla 10. Dispositivos I2C 40

Tabla 11. Valores de Bits de parada y paridad para configuración del recurso

VISA 45

Tabla 12. Alternativas De Sensores De Inclinación de acuerdo a los criterios

de selección 54

Tabla 13. Características detalladas de operación CRS03-04 55

Tabla 14. Características funcionamiento CRS03-04 55

Tabla 15. Asignación de Pines CRS03-04 56

Tabla 16. Alternativas De Sensores De Presión 58

Tabla 17. Características de Trabajo sensor MPX4115A 58

Tabla 18. Rangos Máximos del sensor MPX4115A 59

Tabla 19. Alternativas De Sensores De Aceleración 61

Tabla 20. Características Del Sensor CLX-LP10LP3 62

Tabla 21. Asignación De Pines Del Sensor CLX-LP10LP3 63

Tabla 22. Dispositivos Del Circuito De Protección Para El Sistema 70

Tabla 23. Variación De La Presión Respecto A La Altura 73

Tabla 24. Equivalencia De La Señal Del Sensor De Altura 73

Tabla 25. Equivalencia De La Señal Del Sensor De Inclinación 74

Tabla 26. Equivalencia De La Señal Del Sensor De Aceleración 75

Tabla 27. Alternativas Para Selección Del MCU 76

Tabla 28. Características MCU Motorola MC68HC908GP32 78

Tabla 29. Función De Pines EEPROM 24LC256 80

Tabla 30. Disposición Y Función De Los Pines De La LCD Para El Sistema 81

Tabla 31. Características Del Actuador 130

Tabla 32. Centroides De Áreas 133

GLOSARIO

AEROMODELO: Avión reducido para vuelos deportivos o experimentales.

ALTÍMETRO: Instrumento que indica la diferencia de altitud entre el punto en que

está situado y un punto de referencia. Se emplea principalmente en la navegación

aérea.

BANCO DE PRUEBAS: Equipo construido o lugar adaptado para realizar pruebas

específicas de materiales, químicos, etc.

COMBUSTIÓN: Proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado de

un aumento de calor y frecuentemente de luz.

Reacción química entre el oxígeno y un material oxidable, acompañada de

desprendimiento de energía y que habitualmente se manifiesta por incandescencia

o llama.

CUANTIFICAR: Convertir en cifras, Expresar numéricamente una magnitud

DINÁMICA DE VUELO: Parte de la mecánica que trata de las leyes del

movimiento de el vuelo en relación con las fuerzas que lo producen.

DRIVER: m. INFORM. Programa que se encarga de gestionar ciertos recursos de

un ordenador: el driver de la tarjeta gráfica.

GIRÓSCOPOS: Dispositivo cuyo elemento fundamental es un volante pesado de

metal, o rotor, que da vueltas a velocidad angular elevada alrededor de un eje de

giro.

Aparato consistente en un disco que gira rápidamente sobre un eje libre que se

mantiene en una dirección constante. Se utiliza en la estabilización de barcos y

aviones.

INCLINÓMETRO: Instrumento usado para medir el ángulo causado por la

desviación de la posición vertical u horizontal. Instrumento para obtener la medida

de inclinación.

ORDENADOR: Máquina automática de tratamiento de la información, capaz de

efectuar operaciones aritméticas y lógicas, que funciona bajo el control de un

programa previamente registrado.

PERIFÉRICO: m. INFORM. Cada uno de los elementos externos de un sistema

informático que permiten la entrada o salida de datos: la impresora es un periférico

de salida; el teclado es un periférico de entrada. m. INFORM. Cada uno de los

elementos externos de un sistema informático que permiten la entrada o salida de

datos: la impresora es un periférico de salida; el teclado es un periférico de

entrada.

PROPELENTE SÓLIDO: Material utilizado para la combustión en cohetería.

Esta combustión precisa una temperatura en la superficie que oscile entre 400 y

800 °C, que se puede conseguir por la radiación del calor procedente de un objeto

o medio de temperatura elevada.

SENSOR: Dispositivo que detecta una determinada acción externa, temperatura,

presión, etc., y la trasmite adecuadamente.

SINCRONIZAR: Hacer que dos o más cosas sean sincrónicas (que ocurre, se

realiza o realiza su función al mismo tiempo que otras).

TEMPORIZADOR: m. Sistema de control de tiempo que se utiliza para abrir o

cerrar un circuito en uno o más momentos determinados, y que conectado a un

dispositivo lo pone en acción.

VUELO INERCIAL: Se realiza con el empuje inicial. Periodo donde termina la

combustión del propelente hasta el descenso del vuelo.

VUELO NO TRIPULADO: Vuelo realizado sin tripulantes a bordo (Ej: cohete)

VUELO POTENCIADO: Periodo en el cuál existe combustión. La aceleración es

positiva.

TABLA DE CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCIÓN 1 1. PROBLEMA 2 1.1 TÍTULO 2

1.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN 2

1.3 DETERMINACIÓN DEL PROBLEMA 2

1.4 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 4 2. DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA 5 2.1 ALCANCES 5

2.2 LIMITACIONES 5 3. OBJETIVOS 6 3.1 OBJETIVO GENERAL 6

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 6 4. JUSTIFICACIÓN 8 5. MARCO TEÓRICO 10 5.1 ANTECEDENTES 10

5.2 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS 12

5.3 HARDWARE DE ADQUISICIÓN DE DATOS 12

5.3.1 Sensores 13

5.3.2 Acondicionadores De Señal 17

5.3.3 Microcontrolador 21

5.3.4 Tipos De Memorias 27

5.3.5 Pantalla LCD 29

5.3.6 Sistemas De Actuadotes 30

Pág.

5.4 LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN PARA MICROCONTROLADORES 32

5.4.1 Lenguaje De Maquina / Ensamblador 32

5.4.2 Intérpretes 33

5.4.3 Compiladores 33 5.5 SOFTWARE DE PROGRAMACIÓN PARA MICROCONTROLADORES 34

5.5.1 Microgrades 34

5.5.2 MPLAB 37 5.6 PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN 39

5.6.1 Protocolo I2C o De Dos Hilos 39

5.6.2 Protocolo SPI o De Tres Hilos 41

5.6.3 SCI o UART 42 5.7 SOFTWARE DE VISUALIZACIÓN 42

5.7.1 LABVIEW 42 6. DESARROLLO INGENIERIL 47 6.1 IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES Y PARÁMETROS A TRABAJAR 47

6.1.1 Consideraciones Para La Identificación De Variables 48

6.1.2 Identificación De Las Variables De Entrada 50

6.1.3 Identificación De Las Variables De Salida 51 6.2 SELECCIÓN DE SENSORES Y ACONDICIONAMIENTO 54

6.2.1 Selección Del Sensor De Inclinación 54

6.2.2 Selección Del Altímetro 57

6.2.3 Selección Del Sensor De Aceleración 61

6.2.4 Acondicionamiento De Señal 64

6.2.5 Diseño Del Conversor Análogo Digital 71 6.3 SELECCIÓN DEL DISPOSITIVO MAESTRO 75

6.3.1 Características Estándar Del MC68HC908GP32 76

Pág.

6.4 DISPOSITIVOS AUXILIARES DE SALIDA DEL MCU 78

6.4.1 Almacenamiento De Variables 79

6.4.2 Dispositivo De Visualización 81

6.4.3 Salida Optoacoplada 82 6.5 PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLADOR MC68HC908GP32 89

6.5.1 Configuración Para Inicio Del Trabajo 90

6.5.2 Desarrollo De La Inicialización 98

6.5.3 Desarrollo De La Aplicación 99

6.5.4 Desarrollo De Los Módulos 100 6.6 DISEÑO DEL SOFTWARE EN LABVIEW 105

6.6.1 Pantalla Principal 105

6.6.2 Parámetros De Los Sensores 107

6.6.3 Panel De Visualización Gráfica 110 6.7 MACROS EXCEL 118 6.8 SISTEMA DE FRENADO 121

6.8.1 Características Del Paracaídas 121

6.8.2 Sistema De Accionamiento 123 7. CONCLUSIONES 138 BIBLIOGRAFÍA 143 ANEXOS 146

1

INTRODUCCIÓN

En la actualidad la Universidad de San Buenaventura en conjunto con la industria

desarrolla el macro-proyecto denominado “Propelentes Sólidos para cohetes”, en

el cual ésta aporta con trabajo intelectual por parte de estudiantes y docentes

involucrados en el desarrollo y evolución de la investigación, para continuar con el

logro del proyecto actualmente se requiere entre otras de un sistema de medición

de variables en vuelo no tripulado el cual es desarrollado en éste documento.

Se trabaja la adquisición de variables de altura, velocidad e inclinación del vuelo

mediante sensores específicos para cada tarea, estos envían las señales a

dispositivos de almacenamiento que deben ser fácilmente reemplazables, todo

esto en la etapa de vuelo; posteriormente en tierra se debe extraer la información

o datos almacenados para su visualización gráfica y numérica, la cual proporciona

a los aeromodelistas y en especial al proyecto “Propelentes Sólidos para cohetes”

datos para la evolución y análisis de sus diseños con los cuales se pueden

obtener soluciones optimas de acuerdo a sus necesidades y alcances.

Para la consecución del proyecto se ha de manejar una metodología de análisis

que va de lo general a lo particular, obteniendo de un gran problema sub-áreas de

trabajo con problemas específicos y de más fácil solución, dando así un desarrollo

de diseño ingenieril perceptible a cualquier usuario o interesado en el proyecto.

2

1. PROBLEMA 1.1 TITULO Medición de variables para el desarrollo de un vehículo cohete no tripulado.

1.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN

El presente trabajo se enmarca en la línea de investigación “Tecnologías actuales

y sociedad”, teniendo como sublínea de investigación “Instrumentación y control

para verificación de procesos”.

1.3 DETERMINACIÓN DEL PROBLEMA En la actualidad la industria nacional necesita solucionar su deficiencia en el

desarrollo propio de técnicas esenciales para el control de procesos, es así como

el control de vuelo adolece de tecnologías para la adquisición de datos que sean

capaces de cooperar como pioneras en el desarrollo de la Industria Aeronáutica

en Colombia.

Para desarrollar técnicas de vuelo y procesos de control del mismo es necesario

conocer el funcionamiento real de los modelos que se desarrollan, con el fín de

comparar los resultados obtenidos y realizar la mejor selección para un proceso de

vuelo lo mas exitoso posible. Por lo anterior se establece que es necesario medir

parámetros de altura, inclinación y aceleración del vehículo, para poder alcanzar la

finalidad deseada.

3

Es importante para el desarrollo del proyecto que los parámetros antes

mencionados (parámetros cuantificadores de vuelo) aparte de ser medidos sean

además transmitidos al interesado haciendo uso de gráficas o valores numéricos

que este pueda interpretar.

Para este caso se requiere de una tarjeta de adquisición de datos para recolectar

las variables necesarias para desarrollar el control del sistema, para ello se

pretende seleccionar los sensores que ubiquen espacialmente el vehículo aéreo

no tripulado y además sean útiles para los propósitos demandados.

Haciendo una relación con los proyectos afines, los sensores que son necesarios

para el control de vuelo son utilizados para medir la altura, inclinación y

aceleración, esto ya posiciona espacialmente el vehículo cohete que es básica

para quien realice el control de un vuelo.

Existen variables para las cuales no es necesaria la toma directa de la medición,

debido a que estas son un valor intrínseco a otras variables, es decir que dicho

parámetro se encuentra en función de otro tipo de medidas mucho más básicas,

uno de estos parámetros es la velocidad.

Los ensayos necesarios para poder hacer una buena cuantificación de un vuelo

tienen que ser de tipo no destructivo, es decir que los instrumentos de medición de

los parámetros utilizados como cuantificadores del vuelo deben permanecer en

funcionamiento después de cada prueba con el modelo de medición.

4

Figura 1. Diagrama de Bloques para definición del problema

Fuente: Elaborado por los autores

1.4 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

¿Cómo desarrollar un sistema de medición de altura, inclinación, velocidad,

aceleración y tiempo para establecer criterios de análisis en la dinámica de vuelo?

Entrada 1

Entrada 2

Entrada 3

Tarjeta de adquisición de datos

Controlador Actuadores

Toma de datos

Planta

Fase posterior a la T.A.D.

5

2. DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA

2.1 ALCANCES La investigación desarrolla un sistema de medición y adquisición de variables de

altura, inclinación, aceleración y tiempo, obteniendo por ende la variable de

velocidad del vehículo para un vuelo no tripulado.

Se logrará desarrollar un sistema de adquisición de datos para vehículos aéreos

no tripulados el cual sensará las variables involucradas en el vuelo para que los

interesados o aeromodelistas tengan una herramienta que ponga a prueba sus

diseños o investigaciones.

Uno de los alcances consistirá principalmente en la cooperación para el desarrollo

del macro-proyecto denominado “Propelentes Sólidos para Cohetes” de la

Universidad de San Buenaventura en conjunto con la industria.

2.2 LIMITACIONES

El presente trabajo esta sujeto a limitantes como:

La velocidad máxima de adquisición de datos, la temperatura máxima de

operación de los componentes, el área de trabajo y disponibilidad de laboratorios y

lugares de pruebas, así como el suministro de los recursos para su desarrollo.

Las señales de los sensores de altura, inclinación, aceleración y actuadores,

serán simuladas en el momento de la presentación y no se harán pruebas de

vuelo.

6

3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL

Desarrollar un sistema de medición y adquisición de variables de un vuelo no

tripulado, para que las personas interesadas en el vuelo, aeromodelistas o

investigadores conozcan los alcances de sus diseños por medio de la medición de

parámetros de altura, inclinación y velocidad de sus modelos.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Seleccionar los sensores para realizar la medición de altura, inclinación y

velocidad que cuantifiquen la eficiencia del vuelo, así como los demás

materiales empleados en el sistema.

• Diseñar y construir una tarjeta de adquisición de datos que sea capaz de

almacenar los valores obtenidos de los sensores y posteriormente se puedan

transmitir por medio de un puerto al computador.

• Desarrollar el software y la programación necesaria para la adquisición de datos

de manera simple y que cumpla con el objetivo general propuesto.

• Definir los parámetros para la obtención del tiempo utilizado en el vuelo

potenciado o inicio del vuelo inercial hasta su final.

• Seleccionar la interfase y actuadores para que se ajusten a los requerimientos

de navegación del vuelo.

7

• Seleccionar un sistema que amortigüe la caída del vehículo cohete no tripulado,

así como su sistema de accionamiento para prevenir posibles daños durante su

descenso.

8

4. JUSTIFICACIÓN

La medición y el control de vuelo adquieren gran importancia para las personas

interesadas en la dinámica de vuelo y el desarrollo de aeromodelos, éstos

necesitan conocer principalmente acerca del comportamiento de sus modelos y la

efectividad de los mismos. Es una tarea muy difícil para los interesados, el poder

hacer evoluciones sobre sus modelos sin tener claridad sobre los parámetros en

los cuales se está fallando.

Los estudiantes de Ingeniería Mecatrónica de la Universidad de San Buenaventura

están en capacidad de aportar los conocimientos ingenieriles principalmente en

instrumentación, electrónica, control y programación para la consecución de los

objetivos desarrollados por la universidad en conjunto con la industria.

Al conseguir el desarrollo del proyecto, su justificación principal es debida a los

beneficios que acarrea para los interesados o aeromodelistas en mejorar sus

modelos y comprobar sus teorías, de un aeromodelo específico u otros parámetros

que puedan ser ligados a la dinámica de vuelo. Los aportes que puede realizar

debido a la medición de altura, inclinación, velocidad y aceleración ayudarán a

cuantificar el vuelo según lo esperado soportando las teorías propuestas acerca

de la eficiencia de los propelentes o combustible utilizado y en general del vuelo.

Al realizar el sistema de medición y adquisición de datos se podrá continuar con el

control programado del vehículo cohete no tripulado, esto a su vez abre un gran

campo en la investigación en diversas áreas del aeromodelismo como los UAV’S

(vehículo aéreo no tripulado) y cohetes amateur, esto implica poder desarrollar

técnicas de evaluación de pruebas para vuelo propiamente aplicadas en el país

que sean accesibles a diversos investigadores que trabajen este campo

9

actualmente y a su vez sean capaces de soportar y abrir las investigaciones que

actualmente son requeridas para el desarrollo tecnológico de la Industria Nacional.

10

5. MARCO TEÓRICO

5.1 ANTECEDENTES

Con el transcurso del tiempo la tecnología ha avanzado favorablemente para el

desarrollo de sistemas, en este caso los aerodinámicos y de dinámica de vuelo que se han visto fuertemente influenciados por los avances tecnológicos de los

principales medidores (sensores) como son los giróscopos que inicialmente

funcionaban neumáticamente.

“La diversidad de sistemas de control automático de vuelo de la actualidad, surge

principalmente de la necesidad de ajustarse a las características aerodinámicas y

de controlabilidad en vuelo de los distintos tipos de aeronaves.

El desarrollo de los sistemas de control también fue fuertemente influenciado por

las exigencias impuestas sobre los sistemas directores de vuelo, particularmente

para controlar todas las fases de vuelo”1.

La universidad de San Buenaventura con sede en Bogotá participó en la

evaluación de una propuesta de índole técnico denominada “misión TAMSA”,

concluyendo que no era factible sin iniciar el proceso de adaptación tecnológica

desde las bases: propelentes sólidos, adquisición de datos, etc. Este proyecto

tiene inicio entre 1999 y 2000.

Durante el simposio Colombia frente al espacio llevado a cabo en la Universidad

de San Buenaventura en febrero del 2001, los docentes Ingeniero Edgar Espejo

1 E.H.J.Pallett, Control Automático de Vuelo, Paris: p.223

11

e Ingeniero Wilson Pinzón expusieron las razones por las cuales el proyecto

anteriormente mencionado no era viable.

“Edgar Espejo M. y Wilson Pinzón V. , exponen las razones técnicas por las cuales

dicho proyecto no es viable dentro del contexto nacional actual y propuso una

modificación sustancial al mismo, reduciendo sus alcances a uno de carácter

pedagógico en al campo de la ingeniería. Esta nueva propuesta intereso a la

industria Militar –INDUMIL-, institución que se sumo a la universidad para su

desarrollo”2.

Para el alcance del nuevo proyecto se ha desarrollado un banco de pruebas de

propelentes sólidos, que sensa el empuje contra el tiempo almacenando los datos

para su respectivo análisis.

La investigación Propelentes Sólidos para cohetes, se ha venido trabajando con el

apoyo de estudiantes de la Universidad coordinados por los docentes

comprometidos en el proyecto.

2 PINZÓN VELASCO, Wilson. Propelentes Sólidos para cohetes. Bogotá: Ingenium Nº6, Julio-Diciembre 2002. p. 22

12

5.2 TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS

Una tarjeta de adquisición de datos es un dispositivo que permite realizar un

determinado muestreo de señales de un algún proceso, éstas se pueden conectar

de manera directa con el PC y además en ocasiones se utilizan para hacer control

de procesos y llevar registros de información.

Existen muchas funciones de las tarjetas de adquisición de datos como pueden

ser conteo de eventos, adquisición de señales de entrada y generación de señales

de salida, para el caso de efectuar control en los procesos.

La tarjeta de adquisición de datos generalmente direcciona las señales hacia los

dispositivos que son quienes toman la decisión de que hacer con las señales, es

decir que adquiere los datos más no los procesa. Aunque en algunos casos en las

tarjetas de adquisición de datos se puede disponer de un MCU (microcontrolador)

para el procesamiento de señales.

Es importante destacar que las tarjetas de adquisición de datos permiten

descentralizar el proceso y así evitar duplicar funciones en el instrumento y en el

ordenador. Igualmente son de fácil instalación y variada aplicabilidad.

5.3 HARDWARE DE ADQUISICIÓN DE DATOS En el Hardware de adquisición de datos se encuentran dispositivos tales como los

periféricos de entrada, periféricos de salida o/y periféricos de entrada-salida de

acuerdo a las funciones deseadas (sensores, conversor analógico-digital,

multiplexores, memorias externas, entre otros).

• Márgenes dinámicos de entrada: Con el fín de medir de una manera precisa,

se deben ajustar los rangos de las entradas a la de los instrumentos que las

reciben, de tal manera que tengan una relación de correspondencia adecuada.

13

Los rangos de la señal de entrada representan los niveles máximos y mínimos de

tensión que se pueden medir. Es posible variar los niveles de rango de tensión de las entradas y así obtener

diferente sensibilidad que podría dar flexibilidad a los periféricos en cuanto a

calidad o ajustarse a los requerimientos del usuario.

• Entradas y salidas digitales: Permiten realizar muestreos, generar patrones

de prueba y controlar un proceso determinado, Estas se utilizan para comunicarse

con una cantidad de periféricos a una velocidad determinada, dando a entender

que los parámetros más importantes de las entradas y salidas digitales son el

número de líneas digitales, la velocidad de Tx (transmisión) y Rx (recepción) de

datos y la capacidad de controladores de los canales.

• Los circuitos de conteo y temporización de entrada y salida: Se realizan

para adquirir las señales en momentos determinados o precisos, son útiles para el

conteo de eventos, generación de señales cuadradas y pulsos y para realizar

medidas en cuanto a tiempo, además si se requiere hacer control éstos se pueden

utilizar para la modulación por ancho de pulso.

El trigger es utilizado como bandera de acontecimientos externos (iniciar o parar la

adquisición, sincronización de procesos), puede ser obtenida de fuentes internas o

externas.

5.3.1 Sensores: Los sensores son dispositivos que presentan una respuesta en

un tipo de energía diferente a la energía de entrada, con ellos se pueden efectuar

mediciones de diferentes tipos de variables físicas, obteniendo una respuesta más

fácil de evaluar.

14

Existen diferentes tipos de sensores, de acuerdo a la variable que se quiera medir,

como lo son de temperatura, inclinación, altura, presión, fuerza, entre otros.

• Altímetros: Son sensores usados para medir la altura de diferentes tipos de

aeronaves con respecto a la superficie terrestre, pueden ser barométricos o

radioaltímetros de tipo mecánico o eléctrico. Los Barométricos se basan en el cambio de presión atmosférica ocurrido cuando

hay una variación en la altura o altitud con respecto a la superficie.

Los Radioaltímetros son elementos basados en señales de radiofrecuencia, en

ellos hay un emisor que emite ondas las cuales son reflejadas en la superficie, el

tiempo que tardan en retornar es proporcional a la altura a la que se encuentra.

Miden solo distancia vertical.

De acuerdo a la inclinación, comercialmente se consiguen sensores que pueden

registrar valores de inclinación muy precisos, tal es el caso de los giróscopos,

utilizados en la actualidad principalmente en proyectos referentes al vuelo.

• Giróscopos: Es usado para medir la inclinación en diversos sistemas

principalmente en la industria manufacturera y aeronáutica. Un giroscopo3 es un

aparato en el cual una masa que gira velozmente alrededor de su eje de simetría,

permite mantener de forma constante su orientación respecto a un sistema de ejes

de referencia. Cualquier cuerpo sometido a un movimiento de rotación acusa

propiedades giroscópicas, por ejemplo una peonza. Las propiedades giroscópicas

fundamentales son: rigidez en el espacio y precesión. La rigidez en el espacio se puede explicar por la 1ª Ley del Movimiento de Newton,

que dice: "Un cuerpo en reposo tiende a estar en reposo, y un cuerpo en

movimiento tiende a permanecer en movimiento en línea recta, salvo que se le

aplique una fuerza externa". Siempre y cuando tenga suficiente velocidad, la

3 M.A.Muñoz, Instrumentación, Instrumentos básicos de vuelo, http://inicia.es/de/vuelo/INS/INS22.html, octubre, 2000.

15

fuerza de inercia que genera la peonza la hace girar erguida incluso si inclinamos

la superficie sobre la cual gira, ofreciendo una gran resistencia a los intentos de

volcarla o forzar su inclinación.

Figura 2. Rigidez en el espacio

Fuente: M.A.Muñoz, Instrumentación, Instrumentos básicos de vuelo,

http://inicia.es/de/vuelo/INS/INS22.html, octubre, 2000.

La segunda propiedad -precesión- es la respuesta del objeto cuando se le aplica

una fuerza deflectiva en algún borde. Volviendo a la peonza, es la reacción de

esta cuando en su rápido giro la tocamos en uno de sus bordes. El resultado de

esta reacción es como si el punto de aplicación de la fuerza estuviera desplazado

90º en el sentido de giro del objeto. La precesión es inversamente proporcional a

la velocidad de giro (a mayor velocidad menor precesión) y directamente

proporcional a la cantidad de fuerza de deflexión aplicada.

Figura 3. Precesión giroscópica

Fuente: M.A.Muñoz, Instrumentación, Instrumentos básicos de vuelo, http://inicia.es/de/vuelo/INS/INS22.html, octubre, 2000.

16

• Acelerómetros: Su funcionamiento se basa en una masa conocida la cual

aplica fuerza a un cristal o elemento piezoeléctrico que es proporcional a la

aceleración de la masa, dicha fuerza genera una carga eléctrica con la que se

determina la aceleración. Estos sensores son direccionales pero en el mercado se

consiguen acelerómetros multieje.

- Acelerómetros Pasivos: la carga enviada es la generada por el piezoelectrico,

debido a que esta señal es muy baja se requiere de un amplificador para su

medición.

- Acelerómetros Activos: Incluyen circuiteria interna, para convertir la carga a una

señal de voltaje, estos requieren de una fuente de voltaje continua para realizar la

alimentación del circuito.

Existen otros tipos de sensores para medir inclinación, comercialmente se puede

encontrar4:

• Inclinómetro capacitivo: Son sensores para medir inclinación de acuerdo a la

variación de la capacitancia. Comercialmente se puede encontrar los Inclinómetros Capacitivos de "bajo costo"

de SEIKA se caracterizan por su pequeño tamaño, alta resolución y fiabilidad.

El modelo SB1/2 consiste de uno o dos inclinómetros y sus acondicionadores

integrados en una carcasa muy robusta, que se puede sellar a IP 67.

Opcionalmente permite ajustar dos valores de consigna por eje y el ancho de

banda de la señal de salida.

Características:

Rangos de medida: ±10º... ±70º

Resolución: < 0,01º

Señal de salida: 4…20mA

Alimentación: +8…+30Vcc

4 SENSING SL, Algete Madrid, España, www.sensing.es

17

• Servo-inclinómetro: La nueva serie de Servo-Inclinómetros SX 41900 de

SENSOREX está diseñada para aplicaciones que requieren alta precisión y

fiabilidad. Debido a su ejecución única, con el elemento sensor consistente de

barra de torsión, sensor óptico y servoactuador suspendidos en líquido viscoso,

esta gama de inclinómetros es apta para resistir vibraciones (hasta

5g/20…2.000Hz) y golpes (hasta 500g/1ms). Montado en una carcasa de aluminio

anodizado con un grado de protección de IP65 a IP68. Características:

Rangos de medida: ±3º…±90º

Linealidad: 0,1% F.E. hasta 0,02% F.E

Señal de salida: 4...20mA y ±5Vcc, RS232 y RS485

• Sensores analógicos de posición angular: Este dispositivo es excelente

para el diseño de mecanismos robóticos, interfaces virtuales, medición de

movimientos rotacionales, inclinómetros, robots, etc.… Especificaciones:

Rango de temperatura: -38 a 75°c

Tensión máxima de trabajo: 200v

Potencia: 0.1 W a 40°c

Movimiento angular: -70° a +70° (Total: 140°)

Linealidad: 3% de -70° a +70°

Giros en sentido horario aumentaran el valor de resistencia entre las terminales A

y C. En posición 0° la resistencia será del 50%.

Código: SRV50K (Resistencia máxima 47k)

5.3.2 Acondicionadores De Señal: El acondicionamiento de señal se realiza con

el fin de entregar una señal apropiada y fiel a un determinado dispositivo para que

efectúe un proceso de acuerdo al nivel de señal que se tenga, si esta señal no es

18

fiel el proceso que se realice sobre ella será un proceso erróneo. Los más

importantes aspectos que hacen que una señal no sea adecuada son ruidos o

interferencias, por estas razones, este tipo de acondicionamiento se hace de

carácter obligatorio para casi todo tipo de proyecto.

Como principal causa de error en la transmisión de datos se encuentra el ruido

eléctrico, que es una alteración en el voltaje o corriente que esta presente en los

sistemas eléctricos, las entradas sin conectar son muy susceptibles a ruidos

eléctricos, si éste tiene una amplitud y duración grande la salida del circuito puede

cambiar como respuesta.

Como fuentes de ruido se encuentran motores, vibración, elementos magnéticos

entre otros.

Es posible evitar o disminuir el ruido haciendo que el acondicionamiento de señal

tenga dispositivos que lo atenúen, disminuyan o supriman, éstos dispositivos son

principalmente filtros pasivos o activos.

• Filtros: Un filtro es un sistema conformado por dispositivos que crean la

naturaleza del mismo, el cual atenúa o suprime cambios de nivel de tensión o

corriente que ocurren con una frecuencia determinada o se suceden en un espacio

de tiempo, el espacio de tiempo seleccionado obedece a la duración natural del

ruido que se quiera suprimir. De acuerdo a la frecuencia o al periodo del ruido y de los cambios aceptados se

hace un análisis con el cual se determina que tipo de señal obedece a la fidelidad

de la misma y que tipo es un error producido por causas externas. De ésta

manera se fijan dos tipos de banda: banda de supresión que se refiere al rango de

frecuencias suprimidas por el filtro y banda de paso que son los rangos de

frecuencia que se permiten pasar por el filtro. Además la frecuencia de corte es el

rango de frecuencia entre la banda de supresión y la banda de paso5.

5 W. BOLTON, Mecatrónica

19

De acuerdo al rango de frecuencia se pueden clasificar en:

- Filtro Pasa bajas: Acepta rangos de frecuencia desde cero hasta una frecuencia

deseada.

- Filtro Pasa Altas: Acepta rangos de frecuencia desde un valor determinado hasta

uno infinito.

- Filtro Pasa Bandas: Acepta los rangos de frecuencias establecidos entre un

mínimo y un máximo especificado, es decir, permite el paso de una banda de

frecuencias.

- Filtro Supresor de Banda: No acepta o no permite el paso de una banda de

frecuencias especificada entre un mínimo y un máximo. Es conocida también

como una trampa de frecuencias.

De acuerdo a la naturaleza de los filtros éstos pueden ser activos o pasivos: Los

filtros pasivos son aquellos que como su nombre lo indica están compuestos por

elementos pasivos, que son aquellos que no necesitan una fuente de alimentación

externa para su funcionamiento. Sus elementos son resistencias, capacitores e

inductores. Tienen la desventaja que la corriente que absorbe el siguiente

elemento puede modificar la frecuencia del filtro, debido a esto son utilizados

cuando la impedancia del circuito vista por el filtro es elevada, su principal uso se

ve reflejado en el acondicionamiento de señal ya que la información que se

transmite tiene baja frecuencia comparada con los ruidos que se pueden producir.

Los filtros activos además de los componentes pasivos poseen un amplificador

operacional que es un elemento activo debido a que requiere una fuente de

alimentación externa para su funcionamiento, es por esto que no presenta la

desventaja de los filtros pasivos.

• Conversor análogo digital (CAD): Un conversor análogo-digital es aquel

capaz de convertir una señal de tipo continuo (análoga) en una de tipo discreto

(Digital), obteniendo así un equivalente en digital para cada tensión análoga de

entrada. En un CAD se realiza un muestreo de la señal original con un periodo

20

establecido denominado periodo de muestreo, entre más pequeño es el periodo

de muestreo mayor será la fidelidad obtenida por el conversor, éste debe poseer

un retenedor de orden cero, que se encarga de mantener la señal en el valor

muestreado hasta que se cumple el siguiente tiempo del periodo de muestreo.

El conversor CAD está limitado por el número de códigos digitales de salida. En la

figura 4 se muestra la representación ideal para un CAD, donde se aprecia que

cada fracción del total del rango análogo de entrada corresponde o esta

representado mediante un código digital.

Figura 4. Función de transferencia ideal de un CAD

Fuente: HUERTA, Cortes Rodrigo. Teoría de muestreo y conversión ADC-DAC, Laboratorio de procesamiento digital de señales. p.1

21

5.3.3 Microcontrolador: Un microcontrolador es un integrado en el cual se

encuentran los componentes básicos de una computadora como lo es la CPU

(unidad central de proceso), memoria y unidades de entrada y salida, en los

cuales se pueden conectar periféricos como pantallas LCD (display de cristal

líquido), teclados matriciales, sensores, entre otros. Debido a la versatilidad de los microcontroladores éstos pueden reemplazar

diferentes elementos reduciendo notablemente el cableado, la cantidad de

elementos externos, el costo de la aplicación y por ende mejorando su fiabilidad;

además debido a la tecnología presente en ellos (MOS, CMOS, HCMOS)6

optimizan el consumo de energía.

Figura 5. Estructura De Un Microcontrolador

Fuente: Diseño de Sistemas con Microcontroladores, Internet PDF, p. 7

Al utilizar este tipo de dispositivos hay que tener en cuenta que se debe hacer una

selección adecuada para no exceder las prestaciones del mismo y que esto no se

transfiera en gastos innecesarios. 6 Tecnologías Metal-Oxide Semiconductor (MOS), Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS), High Complementary Metal-Oxide Semiconductor

22

Debido a que son elementos que manejan potencias bajas, se le encuentran

principalmente en aplicaciones como sistemas de adquisición de datos, robótica,

sistemas portátiles y autónomos, domótica, instrumentación y sistemas

aeroespaciales.

Tabla 1. Microcontroladores Marcas y Tipos

MARCA CLASES FAMILIAS

Atmel AVR

Hitachi H8

Intel 8 bits 8XC42

MCS51

8XC251

16 bits MCS96

MXS296

National Semiconductor COP8

Microchip Gama baja 12 bits 12Cxx

Gama media 14 bits 12Fxx

16Cxx

16Fxx

Gama alta 18Cxx

18Fxx

Motorota 8 bits 68HC05

68HC08

68HC11

16 bits 68HC12

68HC16

32 bits 683xx

NEC 78 K

Texas Instruments TMS370

Fuente: Elaborado por los Autores

A continuación se presentan algunas características de los microcontroladores de

las principales familias, como lo son motorola, microchip, intel, entre otras.

23

Tabla 2. Familia Motorola 68HC08 de 8 bits

Fuente: SILICA, Nuevas tendencias de los microcontroladores, PDF Internet, p. 83

Tabla 3. Familia Motorola 68HC12 de 16 bits

24


Tabla 4. Familia Motorola ColdFire 32 bits


Tabla 5. Familia TEXAS MSP430 de 16 bits


25

Tabla 6. Familia PSD de ST de 8 bits


Tabla 7. Familia PHILIPS LCP y familia flash de 8 bits


26

Tabla 8. Familia INTEL StrongARM de 32 bits


A través del tiempo se han creado diferentes tipos de arquitectura para la

fabricación de los microcontroladores, éstas surgen para facilitar y optimizar la

programación y desempeño de los microcontroladores, los tipos de arquitectura

son7:

• Arquitectura Von-Neuman: Este tipo de arquitectura se caracteriza

principalmente por tener un solo bus de datos y una memoria que se utiliza tanto

para las instrucciones como para los datos, su principal problema es que cuando

se dirige a la memoria, primero debe acceder a las instrucciones y luego a los

datos necesarios para ejecutar los programas, lo que la hace un poco lenta.

Figura 6. Arquitectura Von-Neuman

Fuente: Manual de microcontroladores PIC, Internet PDF, p. 3

• Arquitectura Harvard: Posee bus independiente tanto para datos como para

instrucciones, además en al mismo tiempo que se lee una instrucción ésta se

encuentra ejecutándose en el bus y al finalizarse, la siguiente instrucción se

7 MICROCHIP, Manual de microcontroladores PIC, PDF p.3,4.

27

encuentra disponible en la CPU, debido a esto se mejora el tiempo de ejecución y

hay mayor segmentación o estructuración. Figura 7. Arquitectura Harvard


• Arquitectura CISC (Complex Instruction Set Computer): En este tipo de

arquitectura se presentan más de 80 instrucciones complejas, estas instrucciones

son muy potentes, en algunos casos equivalen a un conjunto de instrucciones

simples y en otros representan instrucciones especializadas para tareas

específicas.

• Arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computers): Posee un

conjunto reducido de instrucciones que lo hacen más rápido y compacto, su

consumo es menor y el controlador más sencillo. En esta arquitectura se puede

utilizar cualquier tipo de direccionamiento, también se crea un banco de registros

común a las instrucciones que simplifica la programación.

• Arquitectura SISC (Specific Instruction Set Computer): Se incluyen

instrucciones específicas para control. Entre estas se destacan las de entrada y

salida, de manejo de bit y operaciones con tablas de datos.

5.3.4 Tipos De Memorias: Las memorias son dispositivos que se utilizan para

almacenar información, su evolución se ha enfocado principalmente hacia la

capacidad y ciclos de grabación que puedan tolerar, existen diferentes tipos de

28

memoria como son las eprom, eeprom, otp y flash. Un microcontrolador posee una

memoria interna para almacenar todos los datos de control que hacen que éste

funcione, además puede manejar memorias externas si se requiere de acuerdo a

la cantidad de datos y ciclos de grabación que se piensen efectuar.

• Eprom (Erasable Programmable Read-Only Memory): Es un tipo de

memoria no volátil que se programa eléctricamente y su opción de borrado se

hace únicamente mediante luz ultravioleta que debe incidir en una ventana que

posee el encapsulado en la parte superior, esta ventana debe ir protegida para

evitar el borrado accidental por los rayos ultravioleta emitidos por el sol. Estas memorias son capaces de almacenar los datos durante un tiempo

aproximado de 10 a 20 años y se pueden leer la cantidad de veces que se

requiera.

• Eeprom (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory): Es un tipo

mejorado de la memoria EPROM, ya que puede ser programada, borrada y

reprogramada eléctricamente, pueden ser leídas un número ilimitado de veces y

reprogramadas de unas 100.000 a 1.000.000 de veces. Generalmente la

comunicación a estos dispositivos es de tipo serie usando protocolos como I2C,

SPI y Microwire.

• Otp (One Time Programable): Es un tipo de memoria no volátil, lo que quiere

decir que cuando se le retira el suministro de energía los datos permanecen en

ella. A diferencia de los otros tipos de memoria ésta solo puede ser grabada una

vez; fueron diseñadas de esta manera para disminuir el costo, y se utiliza

principalmente en aplicaciones como productos finales y aquellos que no

requieren que su programa sea modificado.

• Flash: Es un tipo de memoria no volátil, su escritura y borrado es similar al

realizado en las EEPROM, disponen de campos de memoria más grandes que las

29

EEPROM, pero presentan un inconveniente en el borrado de los datos ya que

éstos requieren mayor cantidad de corriente y un tiempo más largo. Permite que se borren o escriban múltiples localizaciones de memoria en una

operación de programación, mientras que las EEPROM solo permiten que se borre

o escriba una localización cada vez.

5.3.5 Pantalla LCD: Las pantallas LCD (liquid crystal display) o pantallas de

cristal liquido son utilizadas en la actualidad en la mayoría de proyectos debido a

su habilidad y versatilidad para visualizar números, letras, palabras y símbolos; es

un periférico de salida ideal para comunicar o indicar el estado de un proceso o lo

requerido por el usuario.

Las pantallas de cristal líquido son de más fácil manejo que los display de 7

segmentos y de un bajo costo si se tiene en cuenta su versatilidad. Las LCD se

pueden encontrar en diversos tipos y tamaños, según lo requerido las hay de 8,

16, 20, 24, 32 y 40 caracteres, ya sean de una, dos o cuatro líneas. Estos

dispositivos se encuentran estandarizados, en cuanto a su disposición poseen 14

pines de acceso, 8 líneas son de datos, tres líneas para el control y tres para la

alimentación, pueden estar ubicadas por columnas de 7 pines o una sola fila de 14

pines como se puede apreciar en la figura.

Figura 8. Disposición de los pines de la LCD


30

5.3.6 Sistemas De Actuadores: Los actuadores son elementos que realizan

alguna acción a partir de una señal que puede ser de tipo eléctrica, neumática,

hidráulica o mecánica. Estos elementos se utilizan cuando se hace control sobre

una variable o se quiere ejecutar una acción a partir de una señal de salida, esta

salida generalmente proviene de sistemas de medición o control que pueden ser

efectuados por un microprocesador, PLC o en general un sistema de control8.

• Sistemas de actuadores neumáticos e hidráulicos: Estos sistemas se

utilizan principalmente cuando se requiere mucha potencia en el control de

elementos de actuación final, la potencia de estos sistemas es relacionada con los

elementos que accionan, así como el trabajo que realizan. Su principal desventaja

es que requieren fuentes de energía robustas, como lo son los compresores en el

caso de los sistemas neumáticos debido a la compresibilidad del aíre; se pueden

presentar fugas de fluidos que pueden representar perdidas significativas de

energía, en el caso de los sistemas hidráulicos el desfogue es riesgoso en cuanto

a que el fluido es aceite.

• Sistemas de actuadores mecánicos: Estos sistemas en su mayoría son

usados cuando se requiere una transformación de movimiento, como lo es el

cambio de un movimiento lineal a uno rotacional, son sistemas de gran utilidad en

funciones como amplificación de fuerzas, cambio de velocidad, transferencia de

rotación y otros tipos de movimiento. Entre los mecanismos se encuentran las

cadenas, correas, levas, sistemas de engranajes y chumaceras.

• Sistemas de actuadores eléctricos: Son recomendados en actuaciones

donde no se requiere hacer fuerzas elevadas, se manejan dispositivos de

conmutación, de tipo solenoide y sistemas motrices, como son los relevos,

transistores, motores, etc.

8 TIMOTHY J, Maloney. Electonica Industrial Moderna. Tercera edición. Prentice may. P 805.

31

En la actualidad han venido reemplazando los sistemas de actuadores mecánicos,

aunque aún estos últimos son muy usados en sistemas mecatrónicos.

Tabla 9. Ventajas y desventajas de los actuadores

ACTUADOR VENTAJAS DESVENTAJAS

Eléctrico

• Costo inicial menor que un sistema

hidráulico

• Costo de operación mucho menor que

un sistema hidráulico.

• Se pueden lograr posicionamiento y

control de velocidad precisos tipo

seguimiento.

• Capacidad de fuerza menor

que un sistema hidráulico

• Muy poca fuerza de retención

al estar detenido. No Permite

que cuelgue una carga

pesada. Requiere de frenos

mecánicos.

Hidráulico

• Gran capacidad de fuerza. Puede

manejar cargas muy pesadas.

• Gran fuerza de retención cuando se

detiene. El cilindro hidráulico no

permitirá que una carga pesada se

afloje.

• Se puede lograr posición y control de

velocidad precisos tipo servo.

• Intrínsecamente seguro en ambientes

inflamables como el de pintura.

• Costo inicial alto.

• Altos costos de operación.

• Sucio.

• Tiende a tener fugas de aceite.

Neumático

• Costo inicial menor que un sistema

hidráulico.

• Menor costo de operación que un

sistema hidráulico.

• Limpio.

• No hay fugas de aceite por limpiar.

• Respuesta rápida

• Es imposible la programación

de posicionamiento y control

de velocidad precisos. Se

requieren paradas mecánicas.

• Capacidad de fuerza débil.

• No tanta fuerza de retención al

detenerse como un sistema

hidráulico.

• Permitirá un poco de caída de

una carga muy pesada.

Fuente: TIMOTHY, Maloney. Electrónica industrial moderna. 3ª Edición. Prentice Hall, 1997;p.805

32

5.4 LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN PARA MICROCONTROLADORES

Los lenguajes de programación son instrucciones en las que se pueden generar

códigos fuente de aplicaciones para microcontroladores; se utilizan para definir un

sistema de instrucciones las cuales puedan ser leídas e interpretadas por el

computador.

Existen diferentes lenguajes de programación con base en los cuales se generan

software, cada uno de ellos presenta ventajas y desventajas respecto de otro, por

esto se debe hacer una selección precisa dependiendo la aplicación que se vaya a

realizar.

Los lenguajes de programación para microcontroladores son entre otros el

lenguaje de máquina, ensamblador, intérpretes, compiladores.

5.4.1 Lenguaje De Máquina / Ensamblador: El lenguaje de máquina es el más

básico debido a que representa las instrucciones o órdenes tal y como el

dispositivo las entiende. El lenguaje ensamblador se basa en la representación

más simple de instrucciones del lenguaje de máquina, las cuales son

transformadas por el programador para que el microcontrolador las entienda.

Existen diferentes tipos de instrucciones en el lenguaje ensamblador como son las

aritméticas, lógicas, de bloques, de transferencia de datos, de salto, de control del

micro y de contadores.

“Permite realizar programas con muestreos muy elevados, sacándole más partido

a la tarjeta de adquisición de datos.

La principal ventaja es que estos sistemas no utilizan recursos del sistema, a

excepción del código de programa y de los buffer de memoria utilizados, por lo

que no se necesita un sistema muy potente para poder ser implementado.

33

En este tipo de lenguajes es muy difícil dotar a los programas de interacción con el

usuario. Uno de los más grandes inconvenientes que tienen es que en la mayoría

de ocasiones, los sistemas realizados bajo este lenguaje no suelen ser portables,

ya que dependiendo del procesador de la máquina utilizada, el lenguaje

ensamblador es uno u otro.”9

5.4.2 Intérpretes: Los intérpretes son programas que permiten traducir a código

de máquina lenguajes de más alto nivel, es posible construir un programa a

medida que se va verificando su funcionamiento para un posterior adicionamiento

de funciones o partes que se necesiten, lo que lo hace un poco lento respecto a

los compiladores aunque más seguros ante su funcionamiento. Los más usados son el BASIC y el FORTH que son programas residentes en el

microcontrolador, el primero es sencillo aunque un poco lento, el FORTH es más

rápido pero su lectura y escritura es complicada para quien no tiene el suficiente

conocimiento sobre su funcionamiento, es útil para el control de sistemas y la

robótica.

5.4.3 Compiladores: Son más rápidos que los intérpretes ya que traducen todo el

programa directamente a código de máquina, es decir no lo interpretan sino que lo

pasa directamente a la memoria interna del microcontrolador, debido a esto puede

producir fallos si no esta bien diseñado. Los compiladores más utilizados son C, BASIC compilado, FORTH compilado, el

ADA utilizado para chips de 16 bits o más y PL/M de Intel.

9 FERRANDEZ, Raul, Tarjetas de Adquisición de Datos, http://studies.ac.upc.edu/ETSETB/ARISO

34

5.5 SOFTWARE DE PROGRAMACIÓN PARA MICROCONTROLADORES

Existen software de programación para cada casa matriz de microcontroladores,

éstos están basados en diferentes lenguajes de programación.

5.5.1 Microgrades: Microgrades es un lenguaje de programación para

microcontroladores motorola, el lenguaje utilizado es de tipo gráfico haciendo que

la interfaz entre el hombre y la máquina sea sencilla y convirtiéndolo en un

lenguaje amigable para programar, facilitando tanto la verificación de la

programación como el tiempo que se requiere al programar, las dificultades que

implica buscar un error se disminuyen considerablemente y es relativamente fácil

cambiar un error o hacer una modificación al programa base.

Maneja diferentes tipos de formas de datos identificados por colores así:

Negro para variables booleanas, Azul de línea delgada para variables de ocho

bits, Azul de línea gruesa para variable tipo entero de diez y seis bits, Rojo de

línea delgada para constantes no mayores a 255, Rojo de línea Gruesa para

constantes mayores a 255 y variables tipo sistema de color Verde.

Posee diferentes herramientas de software que facilitan la programación

estructurada en un ambiente gráfico. Se pueden encontrar funciones de:

Estructuras de programación tales como if, else, for, llamados de rutinas, selector

de procesos y estados; Combinatorias como compuertas AND, OR, XOR,

detección de flancos, copia de un bit en otro; Secuenciales como los

temporizadores al trabajo y al reposo, activación y desactivación de booleanos,

generadores de pulso para tiempo constante o variable como el PWM;

Movimiento como copia de una constante en un byte, copia de un byte en otro,

copia de bloques de bytes, copia de un entero en otro extendido, copia de un bit

extendido en otro; Comparadores como mayor que, igual que, menor que,

manejando diferentes tipos de datos; operaciones Aritméticas y Funciones como

35

suma, resta, multiplicación, división y redondeo, derivación, integración,

manejando diferentes tipos de datos; Rotaciones como desplazamiento,

truncamiento, intercambio, conversión, almacenamiento, recuperación; y los

Especiales como fijación de pantalla para visualización, codificación,

visualización con plantilla, contador de eventos con comparación enlazable,

decodificación, borrado y escritura en flash, lectura y escritura desde dispositivos

externos.

Estos tipos de funciones se pueden utilizar en tres tareas diferentes, tarea rápida,

normal y lenta, de acuerdo a la periodicidad que se quiera dar a un número

determinado de instrucciones.

En las figuras 9 y 10, se pueden observar los iconos de acuerdo a las funciones

de microgrades.

Figura 9. Grupos de Funciones Microgrades (Estructuras, combinatorias, secuenciales,

movimiento, comparadores)

Fuente: Mgdstart, Microgrades versión 2.3.19

36

Figura 10. Grupos de funciones Microgrades (Aritméticas, funciones, rotaciones, especiales)


Para programar en Microgrades, es necesario configurar los recursos de los

cuales dispone el micro y que se van a utilizar, el tipo de microcontrolador, las

variables de tipo byte, las variables booleanas, los puertos, entradas análogas, las

salidas, la comunicación y demás recursos a utilizar. Lo referente a configuración

se realiza en la pestaña Configuración–Núcleo–Estructura (ver fig.11).

Figura 11. Menú De Configuración En Microgrades


37

Para iniciar el desarrollo del programa se hace uso de la pantalla donde se

encuentran los tipos de tarea, por ejemplo tarea rápida, se selecciona los iconos

necesarios y se pegan en la pantalla realizando las diferentes conexiones de

acuerdo al programa a realizar.

En la pestaña de inicializa se recomienda colocar las variables con el valor inicial

evitando que los registros alteren el desarrollo del programa.

Figura 12. Disposición De Elementos En Una Tarea


• Multifrecuencia: Es utilizado en aplicaciones donde el tiempo de muestreo es

mayor que la constante de tiempo del proceso. El orden de los componentes no

importa debido a que las instrucciones en el programa son ejecutadas una por una

y en la salida o entrada de los datos en la rutina de salida se dan todos a la vez,

siendo esto una ventaja para el proceso ya que se puede entender como si se

realizara todo al mismo tiempo.

5.5.2 MPLAB: Es un entorno de desarrollo integrado para realizar aplicaciones

con las familias de PIC 16 y 17, posee un conjunto de instrucciones en lenguaje

ensamblador, permite depurar, optimizar y escribir los programas realizados por el

usuario utilizando el microcontrolador PIC de microchip. El MPLAB incluye un editor de texto, simulador y organizador de proyectos.

38

• Las herramientas del MPLAB10: El organizador de proyectos (Proyect

Manager) es parte fundamental de MPLAB. Sin crear un proyecto no se puede

realizar depuración simbólica. Se puede utilizar las siguientes operaciones:

- Crear un proyecto.

- Agregar un archivo de programa fuente de proyecto.

- Ensamblar o compilar programas fuente.

- Editar programas fuente.

- Reconstruir todos los archivos fuente, o compilar un solo archivo.

- Depurar un programa fuente.

• Directivas de uso frecuente11: Son instrucciones para el compilador. - #DEFINE

Ej: #define <nombre> [<valor a remplazar>]

Explicación: declara una cadena de texto como substituto de otra

- END

Ej: end

Explicación: indica fin de programa

- EQU

Ej. status equ 05

Explicación: define una constante de ensamble

- INCLUDE

Ej: include <PIC16F84.h>

Explicación: incluye en el programa un archivo con código fuente

- ORG

Ej: org 0x100

Explicación: ensambla a partir de la dirección especificada

10 Manual de microcontroladores PIC, Internet PDF, p. 27 11 Manual de microcontroladores PIC, Internet PDF, p. 28

39

Debido al tipo de lenguaje (ensamblador), los errores en la programación se hacen

un poco más difíciles de detectar y la programación necesita de más cuidado y

manejo suficiente del tipo de instrucciones.

5.6 PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

Los protocolos de comunicación son lenguajes o modos que se utilizan para

realizar las comunicaciones entre dispositivos, de esta manera es fácil imaginar

que el dispositivo maestro debe reconocer el tipo de protocolo de comunicación

que utiliza con cada periférico de tal manera que sea capaz de interpretarlo de una

manera correcta. Existen diferentes protocolos de comunicación, todos basados

en los tipos de comunicación existentes que son: comunicación en paralelo y

comunicación en serie.

Los protocolos mas utilizados para realizar la comunicación de microcontroladores

con memorias externas son: I2C, SPI y Microwire.

Los protocolos más utilizados para la comunicación del micro con el PC son:

RS232, RS485,

5.6.1 Protocolo I2C O De Dos Hilos: Es un protocolo de comunicación de tipo

serie, en el cual se utiliza solo dos hilos trenzados y una masa común para la

interconexión de distintos periféricos, la velocidad de este protocolo es de 100Khz.

Figura 13. Esquema General Protocolo I2C


40

En el protocolo I2C también conocido como IIC, las dos líneas que se utilizan se

llaman scl y sda, la primera (scl) es la señal de reloj, ésta es controlada por el

dispositivo maestro el cual por lo general es un microcontrolador, la segunda (sda)

es la línea por la cual se transmite la trama de comunicación y por ende los datos,

este tipo de protocolo es diseñado para transmitir datos de 8 bits, sin embargo, si

se realiza una partición del dato puede transmitir en dos tramas un dato de 16 bits,

teniendo en cuenta que se reduciría el número de datos transmitidos realmente.

Entre los dispositivos que utilizan este tipo de comunicación encontramos:

Tabla 10. Dispositivos I2C

DISPOSITIVOS BITS DE LA DIRECCIÓN

Reloj 11010XX

Memorias RAM 1010XXX

Memorias EEPROM 1010XXX

Conversor A/D – D/A 1001XXX


Las terminales de los bits de dirección marcados con X son las que dan la

dirección del dispositivo, y los diseñadores las deben colocar en un nivel alto o

bajo según quieran nombrar el dispositivo.

En la trama de comunicación consta de:

Bit de inicio (s)

Dirección del dispositivo (Dirección) 7 bits

Bit de Transmisión (nivel bajo 0) o Recepción (nivel alto 1) (Tx/Rx)

Bit de acuse de recepción o reconocimiento (ACK)

Grupo de 8 bits que es el dato (Dato)

Bit de acuse de recepción o reconocimiento (ACK)….

Bit de fin de transmisión (P)

41

Figura 14. Disposición Típica De Pines En Dispositivos Síncronos I2C


5.6.2 Protocolo SPI O De Tres Hilos: Es un tipo de comunicación serial síncrona,

especialmente diseñado para conectar un dispositivo maestro y uno esclavo, es

decir una comunicación punto a punto contraria a la de I2C que es multipunto. En

este protocolo se presentan tres tipos de señales, una de Clock, serial Input y

serial output. Debido a que el hilo de datos esta dividido en hilo para entradas e

hilo para salidas es posible simultanear la transmisión y la recepción de datos. Este protocolo soporta mayor velocidad de comunicación

Figura 15. Disposición Típica De Pines En Dispositivos Síncronos SPI


42

5.6.3 SCI o UART 12: Serial Communication Interface o Universal Asynchronous

Receiver Transmitter, es un tipo de comunicación serial asíncrona, donde se

puede controlar la velocidad de transmisión, utiliza señales RxD y TxD. Colocando

circuitos de comunicación adecuados se puede realizar comunicaciones RS232 o

RS485.

5.7 SOFTWARE DE VISUALIZACIÓN 5.7.1 LABVIEW: (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench), es una

herramienta de programación gráfica destinada al desarrollo de aplicaciones con

programas basados en diagramas de bloques, especialmente usado en el área de

instrumentación, control y sistemas de adquisición de datos. Posee las instrucciones básicas de todo lenguaje de programación al igual que los

programas en C o BASIC, con la diferencia en que estos últimos están basados en

texto. Es de fácil manejo y permite crear una interfaz agradable con el usuario.

Cada programa realizado en Labview recibe el nombre de Instrumento Virtual (VI),

son jerárquicos y modulares y pueden ser usados como subprogramas; un VI

posee tres partes:

• Panel frontal: Es la interfaz con el usuario y en él se encuentran todos los

indicadores y controles, como lo son botones, perillas, gráficas, leds; donde los

controles simulan los elementos de entrada y proporcionan los datos al diagrama

de bloques y los indicadores simulan las salidas y visualizan los datos que se

generan.

• Diagrama de Bloques: En este se observa la solución gráfica del programa,

es decir que el programa esta elaborado en modo gráfico o lenguaje G, es el 12 SILICA, Nuevas tendencias de los microcontroladores, PDF Internet, p. 75

43

código fuente del VI. Todos los objetos como indicadores y controles del panel

frontal están definidos por un terminal de conexión al diagrama de bloques, lo que

hace que una modificación en uno de ellos afecte al otro.

En el diagrama de bloques se utilizan estructuras de programación y flujo de datos

a través de líneas conectoras entre las entradas y salidas.

• Ícono de conexión: Este ícono es utilizado para llamar un subVI en un

programa, este posee entradas y salidas que se configuran en el ícono superior

del panel frontal del programa que se desee sea un SubVI.

Tanto en el panel frontal como en el diagrama de bloques se encuentran

herramientas para edición o ejecución de un VI, tales como edición de texto,

conexión de cables, menú pup-up del objeto, cambio de color, desplazamiento

entre otras.

Para editar el panel frontal podemos usar el menú Controls, donde aparecen todos

los controles e indicadores que se pueden utilizar tales como numéricos, boléanos,

array y cluster, graph, entradas y salidas (I/O), entre otras.

Para editar el diagrama de bloques se utiliza el menú Functions, donde se

encuentra funciones como Structs que contiene las estructuras iterativas como for

loop y while loop, estructuras case y sequence, entre otras; las funciones

Arithmetic que presentan operaciones de suma, resta, multiplicación, división;

funciones bolean, string, array, cluster, instrument I/O, entre otras.

• Comunicación por puerto serie RS232 y Labview: Para empezar la

adquisición de los datos es necesario configurar las comunicaciones serie por

puerto RS-232 y Labview utilizando los siguientes iconos:

44

- VISA Configure Serial Port: En este icono se escogen las características de

comunicación, como lo es la velocidad de transmisión, paridad, número de puerto,

entre otras.

Figura 16. Icono VISA Configure Serial Port

Fuente: NATIONAL INSTRUMENT, Labview 7.1, Labview help, VISA Configure Serial Port.

- Control de flujo: La constituyen una serie de entradas en un determinado orden.

Es usada cuando se necesitan protocolos de comunicación, de lo contrario se

deja al aire.

- Nombre del recurso VISA: En este se indica el puerto a utilizar en la

comunicación.

- Velocidad de transmisión: A esta velocidad se realiza tanto el envío como la

recepción de datos, la cual puede tomar valores típicos de 1200, 2400, 4800 y

9600 Baudios.

- Bits de datos: Indica el número de bits de cada byte recibido, su valor esta entre

5 y 8 bits.

- Bits de parada: Se introducen los bits de parada utilizados en la transferencia.

(Ver tabla 11).

- Paridad: Se indica el tipo de paridad a utilizar. (Ver tabla 11).

- Error: El de entrada indica un error antes de ejecutarse el VI, el de salida indica

un error producido por que se encuentran fuera de rango algunos de los datos

configurados o el puerto no ha podido ser utilizado.

45

Tabla 11. Valores De Bits De Parada Y Paridad Para Configuración Del Recurso VISA

Valores de Bits de parada y paridad para configuración del recurso VISA

Bits de Parada Paridad

10 1 stop bit 0 no parity

15 1.5 stop bits 1 odd parity

20 2 stop bits 2 even parity

3 mark parity

4 space parity

Fuente: NATIONAL INSTRUMENT, Labview 7.1, Labview help, VISA Configure Serial Port.

- VISA Write: Escribe los datos en el puerto serie que se indica en el port number.

Figura 17. Icono VISA Write

Fuente: NATIONAL INSTRUMENT, Labview 7.1, Labview help, VISA Write.

- Nombre del recurso VISA: Indica cual de los puertos se va a utilizar en la

escritura.

- Escritura del Buffer: Se introducen los datos en forma de cadena de caracteres.

- Indicador de error: El de entrada indica un error antes de ejecutarse el VI, el de

salida indica un error en la escritura de datos.

- VISA Read: Lee el número de caracteres o datos recibidos por el puerto.

Figura 18. Icono VISA Read

Fuente: NATIONAL INSTRUMENT, Labview 7.1, Labview help, VISA Read.

46

- Nombre del recurso VISA: Indica el puerto por el cual van a ingresar los datos a

recibir.

- Contador de bytes: Indica el número de bytes que se van a leer del puerto.

- Buffer leído: Son los datos leídos y se entregan en forma de caracteres.

- Indicador de error: El de entrada indica un error antes de ejecutarse el VI, el de

salida indica un error de lectura.

-VISA Close: Cierra el puerto especificado en el VISA resource name y posee un

indicador de error. Figura 19. Icono VISA Close.

Fuente: NATIONAL INSTRUMENT, Labview 7.1, Labview help, VISA Close.

47

6. DESARROLLO INGENIERIL

Un método sencillo para lograr la solución de los sistemas de tarjetas de

adquisición de datos, es desglosar el problema general en diversos problemas

para los cuales es posible obtener soluciones más simples de ver. Es decir

disociando el problema es fácil darle solución.

Figura 20. Diagrama General Del Sistema


Disociando cada uno de los cuadros de la figura 20 (diagrama general del sistema)

se obtendrá una mejor apreciación del problema y por ende se llegará a una

solución satisfactoria.

6.1 IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES Y PARÁMETROS A TRABAJAR

En este apartado se realiza la identificación de las variables que generan las

señales de entrada y salida del sistema mediante factores que puedan ser

determinantes para la dinámica de vuelo, con el objeto de poder obtener un

enfoque claro del problema y desarrollar una solución a partir de éstas variables y

su manejo.

VARIABLES DE SALIDA DEL SISTEMA

PROCESO

MEDICIÓN DE

VARIABLES

VARIABLES DE ENTRADA DEL SISTEMA

48

6.1.1 Consideraciones Para La Identificación De Variables: En el sistema se

presentan dos tipos de condiciones especiales de vuelo, en primer lugar el vuelo

potenciado, y en segundo el vuelo inercial, el cual se rige por las leyes de

lanzamiento de proyectiles; teniendo en cuenta que: El vuelo potenciado, es aquel que se desarrolla a través de todo el tiempo donde

se quema el propelente y por ende se genera empuje sobre el vehículo, para éste

tipo de vuelo es importante destacar que la aceleración es positiva.

El vuelo inercial comienza en el momento mismo de la finalización de quema del

propelente, este tipo de vuelo es el conseguido a causa del empuje que se ha

obtenido mediante el propelente, para el vuelo inercial se presenta una

aceleración negativa que tiene que ver directamente con la gravedad y la

aerodinámica del modelo.

Para el sistema, Se ha pedido medir las variables de salida de un vehículo tipo

cohete, esto implica que las entradas al sistema de medición son las salidas del

Modelo de este tipo de vehículo.

Modelo con base en las leyes de Newton

∑ ×= amFρρ

Donde:

m = masa

a = aceleración

Para vuelo vertical la ecuación es:

2

2

dtydm

dtdvmamgmT ==×=×−

Donde:

T= Empuje

g = Gravedad

v = Velocidad

y = Desplazamiento Vertical

49

Solucionando la ecuación tenemos:

gmTa −=

tgmTvatvv ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −+=+= 00

20

20 2

121 tg

mTytayy ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −+=×+=

Donde:

a = Aceleración

T= Empuje

g = Gravedad

m= Masa

v0 = Velocidad Inicial

Teniendo en cuenta la variación de la masa:

)(tTdt

dme ×−= α

Donde:

T= Empuje

me= Masa

α= Cte. de proporcionalidad

Solución de la ecuación

∫−= dttTmtm eie )()( α

∫−

=dttTmm efei

)(α

Teniendo en cuenta la resistencia con el aire: 2)()( tbvtf −=

50

Solucionando la ecuación tenemos

ACb d ××= ρ21

Combinando la ecuación tenemos:

mtvbg

tmtTta

2)()()()( ××

−−=

Donde

a = Aceleración

T= Empuje

g = Gravedad

m= Masa

b = Cte. De fricción

v = Velocidad

b = Cte. de fricción

6.1.2 Identificación De Las Variables De Entrada: Con el fin de definir cuales

son los parámetros que se deben evaluar para la solución del problema, se debe

entender que los aeromodelistas definen la dinámica o el desempeño del vuelo a

partir de la cantidad de trabajo que debe efectuar el aeromodelo, Dicha cantidad

de trabajo se ve reflejada en la cantidad de combustible que se utiliza por unidad

de tiempo, para el caso específico de la cohetería la cantidad de trabajo que se

logra hacer con una cantidad de propelente en un tiempo determinado. Con el fín

de determinar la cantidad de trabajo que se ha logrado realizar, el aeromodelista

deberá poder comparar las curvas obtenidas de su aeromodelo en cuanto a

parámetros importantes como, la velocidad, altura máxima, inclinación y

aceleración del vehículo.

De acuerdo a lo anterior, se define que el aeromodelista puede obtener todos

estos datos si conoce el muestreo de la cantidad de movimiento que realizó y el

tiempo en que lo hizo.

51

Con el objeto de medir la cantidad de movimiento se llega a la conclusión que se

requiere únicamente tres sensores, uno del cual pueda tener datos de altura otro

para datos de inclinación del vehículo y un tercero para la medición de su

aceleración.

Figura 21. Variables De Entrada Del Sistema

Fuente: Elaborada por los autores

El tiempo en el que se realizó se puede determinar a partir de los pulsos o

muestreos realizados por el microcontrolador o en su defecto, calculando la

cantidad de instrucciones que se han realizado entre los muestreos y por tanto su

frecuencia.

6.1.3 Identificación De Las Variables De Salida: La salida del sistema en

general se refiere a la cantidad de movimiento que se logró para el empuje

suministrado por el propelente, es importante que se destaque que esto se

consigue con los datos que se han adquirido por el sistema de medición.

Para el sistema de medición, los datos obtenidos mediante los sensores son

salidas del proceso de vuelo.

• Datos para el procesamiento (Altura, inclinación y aceleración): Estos

datos son esenciales para realizar el procesamiento de los datos que se quieren

mostrar con el objeto que el diseñador evalué su proyecto, para poder hacer dicho

SENSOR DE ALTURA

SENSOR DE INCLINACIÓN

SENSOR DE ACELERACIÓN

Señal física Voltaje Análogo

Voltaje Análogo

Voltaje Análogo

M

C

U

Señal física

Señal física

52

procesamiento los datos deben ser almacenados en vuelo para después ser

captados por un computador y así ser procesados.

Teniendo en cuenta que la fuerza del impacto destruiría los sensores y

desacomodaría los elementos que conforman la tarjeta de adquisición de datos, se

debe seleccionar un sistema que amortigüe la caída del vehículo o en su defecto

la de la tarjeta de adquisición de datos.

• Actuador: Su labor principal es la de evitar que la tarjeta de adquisición de

datos sufra de manera tal que sea imposible realizar dos vuelos con la misma

tarjeta, es decir debe disminuir considerablemente el impacto en el descenso del

vuelo; para conseguir que esto se realice correctamente sin importar de manera

significativa las características del aeromodelo se debe desarrollar una interfaz

que se pueda adaptar a muchos dispositivos finales de control, que sean capaces

de abrir o accionar un mecanismo.

En la figura 22 (salidas del sistema) se puede contemplar el esquema gráfico de

las salidas y se ha agregado un visualizador de proceso que hace que el sistema

sea más amable al usuario y suministre a él información de lo que se está

realizando.

• Visualizador de Proceso: Este dispositivo debe ser capaz de mostrar de una

manera clara el proceso en el cual se encuentra el sistema, esto es importante

únicamente en tierra, y pretende orientar al usuario acerca de si se encuentra aún

recibiendo datos o transfiriéndolos hacia el computador, esto sirve además para

verificar errores en el funcionamiento del sistema principalmente en cuanto a

comunicación se refiere.

53

Figura 22. Salidas Del Sistema


Mediante la figura 23 (Identificación de variables de entrada y salida del sistema),

se pretende estructurar de una manera más sencilla el sistema, unificando las

gráficas anteriores donde se definen cada una de éstas en particular.

Ensamble de los bloques funcionales de entrada y salida de acuerdo a lo

determinado por el diseño.

Figura 23. Identificación De Variables De Entrada Y Salida Del Sistema


M

C

U

Actuador

Indicador de proceso

Datos para Procesamiento

Estado del proceso

Altura, ¿descendiendo?

Altura, inclinación, aceleración

PROCESO DEL SISTEMA

Altura V ana

Inclinación V ana

Aceleración V ana

Actuador

DATOS PARA EL

PROCESAMIENTO

Incl Cohete

Altura

Acel Cohete

ENTRADAS SALIDAS

Visualizador

54

6.2 SELECCIÓN DE SENSORES Y ACONDICIONAMIENTO Se necesitan tres sensores que envíen una señal proporcional a la inclinación, la

aceleración y la altura del cohete.

Para la señal de inclinación se ha decidido trabajar con un giróscopo de silicona

ubicado sobre el eje vertical, para la señal de aceleración el sensor se debe ubicar

en el centro de gravedad del vehículo. Se dispondrá de un altímetro para medir la

altura, su función principal es la de identificar el momento del lanzamiento.

6.2.1 Selección Del Sensor De Inclinación: Para la selección del sensor se ha

de tener en cuenta como parámetros principales el rango de medida, temperatura

a la que trabaja, señal de salida y alimentación.

Se disponen de las siguientes alternativas para la selección:

Tabla 12. Alternativas De Sensores De Inclinación de acuerdo a los criterios de selección

SENSOR RANGO TEMPERATURA ALIMENTACIÓN SALIDA Inclinómetro Capacitivo SEIKA ±10º…±70º - - - +8…+30Vcc 4…20mA

Servo-Inclinómetros SX 41900 SENSOREX ±3º…±90º - - - - - - 4...20mA y

±5Vcc Analógicos de posición angular -70° a +70° -38 a 75°C

Giróscopo de silicona Silicon Sensing System Ref CRS03-01&-02

±100º -40 a 85°C 4,75 a 5,25 V Voltaje Análogo

Giróscopo de silicona Silicon Sensing System Ref CRS03-04

±200º -40 a 85°C 4,75 a 5,25 V 0,5 a 4,5 V

Giróscopo de silicona Silicon Sensing System Ref CRS-04

±150º -40 a 85°C 4,85 a 5,15 V 0,5 a 4,5 V


Con el objeto de adquirir la inclinación del vehículo se ha seleccionado un

giróscopo de silicona de la marca Silicon Sensing System Ref CRS03-04, el cual

satisface los requerimientos propios del sistema.

55

- Características de funcionamiento del giróscopo

Tabla 13. Características Detalladas De Operación CRS03-04

Fuente: SILICON SENSING Product specification for single axis

silicon vibrating structure GYRO CRS03-04

Tabla 14. Características Funcionamiento CRS03-04



56

Figura 24. Diagrama Del Giróscopo CRS03-04



Tabla 15. Asignación De Pines CRS03-04

Asignación de Pines Tipo de Señal Valor

1 VDD 5

2 GND 0

3 OUT Medición



Si se realiza la conversión análoga digital de tal manera que para +200º se

obtenga el valor máximo de la conversión análogo digital es decir en binario 1111

1111, la precisión del conversor es de 1.56º

De acuerdo a las especificaciones del sensor, la proporción del voltaje de salida

esta dado por:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ××+=

521

0VddSfRaVddV

Donde: Vo: Rango de salida (V), Vdd: Voltaje de Alimentación (V), Ra: Rango

medido (deg/s), SF: Factor de escala (V/ (deg/s)),

57

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ××±+=

5501,02005

21

0V

El Voltaje de salida máximo y mínimo son:

][5,4(max)0 VV =

][5,0(min)0 VV =

El acondicionamiento de señal debe ofrecer una ganancia de tal manera que el

rango entre el voltaje máximo y mínimo o ancho de ventana sea adecuado para el

correcto funcionamiento de la tarjeta.

Para el correcto funcionamiento del sistema, es necesario que el filtro tenga una

ganancia que eleve el valor del voltaje de salida del sensor a no más de 5 [V], por

lo que la ganancia máxima que debe presentar el filtro es:

][5][5,4 VVA =×

11.1][5,4

][5==

VVA

Debido a que las referencias del conversor se ubican al valor de alimentación de

los sensores y en general de toda la tarjeta 5 Vdc, el valor de 4,5 Vdc

representaría un valor en binario de 1110 0110 o 230 en decimal.

6.2.2 Selección Del Altímetro: Para la selección del sensor se ha de tener en

cuenta como parámetros principales el rango de medida, temperatura a la que

trabaja, señal de salida y alimentación.

En el caso de la altura se selecciona en base a sensores de presión para

posteriormente procesar la señal de salida en función de la altura.

58

Se disponen de las siguientes alternativas para la selección del sensor de presión:

Tabla 16. Alternativas De Sensores De Presión

SENSOR RANGO TEMPERATURA ALIMENTACIÓN SALIDA Sensor de presión de silicio MPX2100 de MOTOROLA

0…100 Kpa -40 a 125 ºC 10 V típico Voltaje Análogo

Sensor de presión de silicio MPX4115A de MOTOROLA

15…115Kpa -40 a 125 ºC 4,85 a 5,35 0,2…4,8 V


Motorola Ofrece productos, entre los cuales se destaca el sensor de presión de

silicio MPX4115A caso 867-08, los cuales son especialmente atrayentes debido a

que presentan características especiales de compensación en temperatura que los

hacen lineales y además de amplia aplicación.

Tabla 17. Características De Trabajo Sensor MPX4115A

Fuente: MOTOROLA Semiconductor Technical data

MPX4115A series p.2

59

Tabla 18. Rangos Máximos Del Sensor MPX4115A

Fuente: MOTOROLA semiconductor Technical data MPX4115A series p. 2

Figura 25. Tensión De Salida En Función De La Diferencia De Presión


Figura 26. Encapsulado MPX4115A Caso 867-08 Elemento Básico


60

Este tipo de sensores son especialmente utilizados para el control de

motobombas, robótica, barómetros y altímetros.

La función de relación de entrada y salida en voltios del sensor, de acuerdo al

fabricante es:

( ) ( )( )ErrorPVV SOUT ±−××= 095,0009,0 [ ]V

Donde Vs = Voltaje de alimentación; P = Presión; Error = ± (Presión de error x

Fcactor de temperatura x 0.009 x Vs).

Para los valores típicos el error es cero.

[ ] [ ]( )095,0115009,05max)( −××=− KpaVV Typout

[ ]VV Typout 5,4max)( =−

[ ] [ ]( )095,015009,05min)( −××=− KpaVV Typout

[ ]VV Typout 2,0min)( =−

Figura 27. Designación De Pines Y Circuito De Conexión

Fuente: MOTOROLA semiconductor Technical data MPX4115A series p.1,3.

“Los pines 4, 5, y 6 son conexiones internas del dispositivo y no se conectan a

circuitería externa o tierra. El pin 1 es reconocido por la muesca.”13.

Para el buen funcionamiento del sensor el fabricante sugiere el circuito de la

figura-27.

13 MOTOROLA semiconductor Technical data MPX4115A series p.1

61

6.2.3 Selección Del Sensor De Aceleración: Para realizar la selección de este

sensor es indispensable tener en cuenta como parámetros principales, el rango de

medida, la temperatura de operación, la alimentación y la señal de salida.

Para los acelerómetros se dispone de las siguientes alternativas:

Tabla 19. Alternativas De Sensores De Aceleración

SENSOR RANGO TEMPERATURA ALIMENTACIÓN EJES SALIDA crossbow technology

CXL04LP1 ± 4g -40 a 85 ºC 5 V X Voltaje análogo

CXL04LP1Z ± 4g -40 a 85 ºC 5 V Z Voltaje análogo

CXL04LP3 ± 4g -40 a 85 ºC 5 V TRI Voltaje análogo







CXL02TG3 ± 2g -40 a 85 ºC 3,3 a 5,5 V TRI & TEMP

Voltaje análogo

CXL10TG3 ± 10g -40 a 85 ºC 3,3 a 5,5 V TRI & TEMP

Voltaje análogo

Summit Instruments, Inc. Platinum Series 25203ª 0 a ±5 g -40 to +85°C 8 a 30 V Biaxial via RS485

Platinum Series 35203ª 0 a ±5 g -40 to +85°C 8 a 30 V Triaxial via RS485

Platinum Series 25200ª 0 a ±40 g -40 to +85°C 8 a 30 V Biaxial via RS485

Platinum Series 35200ª 0 a ±40 g -40 to +85°C 8 a 30 V Triaxial via RS485

Fuente: Elaborada por los Autores

Ya que el sistema no realiza la medición de temperatura y no se requiere un rango

mayor de 10g (gravedades), y su salida es en voltaje análogo se ha seleccionado

62

el sensor de crossbow technology CXL10LP3 que cubre características y

requerimientos para los que se diseña el sistema de medición.

Tabla 20. Características Del Sensor CLX-LP10LP3

Fuente: CROSSBOW, CXL-LP Series Datasheet.pdf, pág 2

La función de relación de entrada y salida en voltios del sensor, de acuerdo al

fabricante es:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ××+= AccelVsySensitivit

VV S

OUT 52 [ ]V

Donde Vs = Voltaje de alimentación; Sensibilidad = 200[mV/g]; Aceleración = de

10 a -10 [g].

63

Los valores máximo y mínimo de Voltaje son:

[ ] ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ××+=− ][10

55]/[2,0

25

max)( ggVVV Typout [ ]VV Typout 5,4max)( =−

[ ] ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −××+=− ][10

55]/[2,0

25

min)( ggVVV Typout [ ]VV Typout 5,0min)( =−

Luego el sensor entrega una señal mínima de 2,5 voltios cuando no hay

aceleración y de 4,5 voltios para 98 [m/s2] que representa su valor máximo en

aceleración.

Figura 28. Diagrama Del Sensor CLX-LP10LP3


El sensor cuenta con cinco pines de conexión, tres para cada uno de los ejes y

dos para la alimentación, como se describe en la tabla 21 (Asignación De Pines

Del Sensor CLX-LP10LP3).

Tabla 21. Asignación De Pines Del Sensor CLX-LP10LP3


64

6.2.4 Acondicionamiento De Señal: De acuerdo a las entradas del sistema

(Altura, inclinación y aceleración) cada una de ellas deben ajustarse a los

requerimientos de la tarjeta y entregar una señal de corriente o voltaje

proporcional al valor de las mismas, debido a que el proceso de almacenamiento

se realiza con un microcontrolador dicha señal debe ser de voltaje.

Figura 29. Acondicionamiento De Señal De Los Sensores


Seleccionados los sensores se debe hacer un acondicionamiento de señal para

cada uno de ellos, para nuestro caso la señal será de 0 a 5 voltios d.c.

• Diseño del filtro: El filtro pasa bajos es ideal para el acondicionamiento de

señal debido a que los ruidos se producen a una frecuencia más elevada que la

frecuencia a la que se transmite la información.

La naturaleza del filtro seleccionado es activo, con el objeto que no se modifique

la frecuencia del filtro a razón de los elementos que se interconectan al circuito.

El filtro utilizado aporta una ganancia en el caso de que se utilice un sensor que

genere una señal más baja que la del propuesto.

La ganancia del filtro esta dada por:

1

1RRA f

v +=

La frecuencia de corte para el circuito esta determinada por:

1121

CRfOH π

=

SENSORVARIABLE

FÍSICA ACONDICIONAMIENTO

FILTRO & CAD SEÑAL ÓPTIMA

PARA MEDICIÓN 0 - 5 Vdc

65

Figura 30. Filtro Pasa Bajas


- Cálculos del filtro: Debido a que el tipo de ruido que se produce en estos

sistemas es de muy alta frecuencia, este filtro se diseña bajo las características de

filtrado de 16 Hz y una ganancia de 1,11.

Para el filtro el valor de R1 esta dado por:

OHfCR

11 2

1π

=

Con un condensador C1 = 1µF

)16)(1(21

211

1 HzFfCR

OH µππ==

comercialR

R

K 101

2.99471

Ω≈

Ω=

Frecuencia de corte Real con R1=10 KΩ y C1=1µF

requerido lo menteaproximada 915.15

) 01.0)( 1(21

21

11

Hzf

FKCRf

OH

OH

=

Ω==

µππ

66

Para poder acondicionar al circuito otros sensores se pretende que el valor de la

ganancia sea variable para lo cual se requiere un reóstato lineal; de igual forma su

valor máximo esta ligado a una ganancia no superior a 1,11.

La ganancia es:

1

1RRA f

v +=

Entonces:

1) 1( RAR vf −=

Comercial K R K R

K R

f

f

f

Ω=

Ω=

Ω−=

11,1

10)111,1(

El valor de la resistencia RG Se encuentra determinado por:

1

1

RRRRR

f

fG +

×=

ΩΩ

=Ω+ΩΩ×Ω

=KM

KKKKRG 11

10101101

Ω= 909GR

Comercial RG Ω= 910

Este tipo de filtro tiene una pendiente de 20 dB, para una mayor precisión se

puede implementar con una pendiente de 40 dB si se realiza el filtro de segundo

orden.

“La ganancia de voltaje del circuito y la frecuencia de corte son las mismas para el

circuito de segundo orden que para el circuito de filtro de primer orden, con

67

excepción de que la respuesta del filtro cae a una tasa más rápida en un circuito

de filtro de segundo orden”14

Para el filtro de segundo orden se tiene:

FCCKRR

µ110

12

12

==

Ω==

Figura 31. Filtro Pasa Bajas De Segundo Orden Activo Para El Sistema


Se ha seleccionado un amplificador operacional 1458 (Figura 32. Pines LM1458)

para el filtro debido a que ya tiene el off-set graduado.

Figura 32. Pines LM1458

Fuente: INTERSIL, Data Sheet PDF, p.1

14 BOYLESTAD, Robert L., Electrónica: Teoría de circuitos, sexta Edición, Prentice Hall, 1997, p. 685.

68

Luego, para el filtro se tiene lo siguiente:

F CCR

lineal Reostato K RK RR

G

f

µ19101

10

21

21

==

Ω=

Ω=

Ω==

1 Amplificador operacional LM1458

• Protección De Entrada Al Microcontrolador: Para asegurar que a la entrada

del microcontrolador no se genere un voltaje que afecte su funcionamiento o

produzca algún daño, se ha diseñado un circuito de protección (Figura 33. Circuito

de protección en la entrada al MCU), el cual posee un diodo zener que limita el

voltaje máximo a voltaje zener y un condensador quien aparte de servir como un

segundo filtro, retiene la señal que de otro modo sería un nivel bajo a causa del

zener.

Figura 33. Circuito De Protección En La Entrada Al MCU


Figura 34. Funcionamiento Del Circuito De Protección


69

- Cálculos: Cuando la señal de salida filtrada (Vi) es mayor que el voltaje zener, el

comportamiento del circuito es:

zo VV =

Donde

MCUz VV =

Para asegurar una vida útil del microcontrolador el fabricante da una

especificación de corriente máxima en los puertos de 20 mA, se ha decidido que

esta corriente sea un poco más baja que la mencionada, por seguridad de 5mA.

Corriente máxima en la carga:

RLVI z )0(

max−

=

RLmA )01,5( 5 −

=

[ ][ ] [ ]Ω==⇒ 1020

5 1.5mA

VRL Resistencia comercial de 1 kΩ

Recalculando

[ ][ ] [ ]mA 1.5

1000 V 1.5Imax =Ω

=

La resistencia R debe disipar la potencia cuando el valor en la entrada es lo más

elevado posible, para este caso es solo como prevención a adaptación de

circuitos, asumiendo que el valor máximo de estos sea 12 V entonces:

RLzR III +=

Donde

RVVI zi

R−

=

[ ][ ] [ ]Ω==

−= 466

15 7

mAV

IVVR

R

zi Resistencia comercial 470 Ω

70

Cuando la señal de salida filtrada (Vi) es menor que el voltaje zener, el

comportamiento del circuito es:

iRoMCU VVVV =+=

Donde

L

iLo RR

VRV+

=

El zener se encuentra en estado inactivo y las resistencias R y RL se encuentran

en serie limitando el valor de corriente al Microcontrolador, mas el voltaje es el

mismo de la entrada.

)( L

iT RR

VII+

==

[ ][ ] [ ] [ ]mA 40.3

470K 1V 5

=Ω+Ω

== ITI

Tabla 22. Dispositivos Del Circuito De Protección Para El Sistema

Dispositivo Valor Potencia

Resistencias R 470 Ω ¼ Wattio

Resistencia RL 1 KΩ ¼ Wattio

Diodo Zener 5.1 V ½ Wattio

Condensador 1µf ---


Figura 35. Circuito De Protección En La Entrada Al MCU Del Sistema

Fuente: Elaborado por los Autores

71

6.2.5 Diseño del Conversor Análogo Digital: El programa debe ser capaz de

adquirir datos análogos (para nuestro caso se ha mencionado que son datos de

voltaje de 0 a 5 Vdc) y convertirlos en un dato digital equivalente al dato obtenido.

Para esta aplicación se quiere diseñar un conversor análogo digital de 8 bits de

resolución, es decir que en la amplitud de 5 Vdc alcance al valor decimal de 255 o

en binario de 1111-1111.

Figura 36. Relación del Conversor Análogo-Digital Ideal Para El Sistema


De acuerdo a esto:

[ ] [ ][ ]Vdc

DecimalVdcVoltio cada de alorv5255*1

=

[ ]DecimalVoltio cada de alorv 51= o 11 0011 [Binario]

[ ] [ ][ ]Bits

VdcBitbit cada de alorv255

51 ×=

[ ]Vdcbit cada de alorv 019607843.0=

72

El conversor análogo-digital para el sistema será implementado internamente en

el microcontrolador a trabajar así:

• Altímetro: Debido a que la señal que se obtiene es una función de la presión,

para calcular la altura se basará en la tabla 23 (Variación de la presión respecto a

la altura), o mediante la ecuación de presión en función de la altura:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

kTNMghPPA

exp0

Donde:

P0 = Presión de la atmósfera a nivel del mar

M = peso molecular del aire 28.8 g/mol=0.0288 kg/mol

g = aceleración de la gravedad

k=1.3805·10-23 J/K es la constante de Boltzmann

T = temperatura de la atmósfera en kelvin

NA = 6.0225·1023 es el número de Avogadro, número de moléculas que caben en

un mol.

La variación de presión en función de la altura en la atmósfera puede aproximarse

a una exponencial para una temperatura de 254 [K].

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛⋅

×⋅×⋅×−

=−

hPP 1000254103805,1100225,6

8,90288,0exp 23230

( )hP ⋅−= 1336,0exp3,101

Luego la altura en función de la presión esta dada por:

][1336,0

3,101 Km

PLnh

−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=

Donde:

P = presión medida en [Kpa]

h = Altura en Kilómetros

73

Tabla 23. Variación De La Presión Respecto A La Altura

altura Presión Temperatura(m) (milibares) (ºC) 0 1013 15

1000 898,6 8,5 2000 794,8 2 3000 700,9 -4,5 4000 616,2 -11 5000 540 -17,5 6000 471,6 -24 7000 410,3 -30,5 8000 355,4 -37 9000 306,2 -43,5 10000 264,1 -50 15000 120,3 -56,5

Fuente: Libro electrónico, Ciencias de la tierra y del medio ambiente, Tema 3, atmósfera e

hidrosfera,www.esi.unav.es/asignaturas/ecologia/Hipertexto/03AtmHidr/111ClMun.htm.Completada

De acuerdo con la función de relación de entrada y salida del sensor, la salida de

voltaje está dada por ( ) ( )( )ErrorPVV SOUT ±−××= 095,0009,0 [ ]V , sin embargo el

voltaje que entra al CAD se encuentra multiplicado por la ganancia del filtro A=1,1,

el cual debe ser representado de 0[bits] a 255_[bits], lo que se desarrolla en la

tabla 24 (Equivalencia de la señal del sensor de altura).

El diseño se plantea para un modelo con rango de medida entre los 0[m] y 8[Km],

por lo que el sensor se toma con rangos de presión de 101,3 [Kpa] a 35,54[Kpa] y

se calibra el CAD.

Tabla 24. Equivalencia De La Señal Del Sensor De Altura

Altura Presión Sensor altura

Voltaje recibido al

CAD Valor medido

(m) (KPa) (V) 0 101,3 4,0835 4,49185 229

1000 89,86 3,5687 3,92557 200 2000 79,48 3,1016 3,41176 174 3000 70,09 2,67905 2,946955 150

74

Altura Presión Sensor altura

Voltaje recibido al

CAD Valor medido

(m) (KPa) (V) 4000 61,62 2,2979 2,52769 129 5000 54 1,955 2,1505 110 6000 47,16 1,6472 1,81192 92 7000 41,03 1,37135 1,508485 77 8000 35,54 1,1243 1,23673 63 9000 30,62 0,9029 0,99319 51 10000 26,41 0,71345 0,784795 40 15000 12,03 0,06635 0,072985 4

Valores Máximo y Mínimo 115 4,7 5,17 255 15 0,2 0,22 11


• Giróscopo: De acuerdo a la función de relación de entrada y salida del

giróscopo la respuesta a diferentes inclinaciones y su representación se visualizan

en la tabla 25 (Equivalencia de la señal del sensor de inclinación).

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ××+=

521 VddSfRaVddVout

Tabla 25. Equivalencia De La Señal Del Sensor De Inclinación

Angulo Sensor Angulo V recibido Valor

medido Valor a

Presentar (grados) (V) (V)

-200 0,5 0,55 28 0 -150 1 1,1 56 32 -100 1,5 1,65 84 64 -50 2 2,2 112 96 -25 2,25 2,475 126 112

0 2,5 2,75 140 128 25 2,75 3,025 154 144 50 3 3,3 168 160

100 3,5 3,85 196 192 150 4 4,4 224 224 200 4,5 4,95 252 255


75

• Acelerómetro: De acuerdo con la función de relación de entrada y salida del

sensor, en la Tabla 26. (Equivalencia De La Señal Del Sensor De Aceleración) se

ilustra la respuesta en voltaje para una alimentación de 5 [V].

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ××+= AccelVsySensitivit

VV S

OUT 52[V]

Tabla 26. Equivalencia De La Señal Del Sensor De Aceleración

Señal del V Resivido Valor a Aceleracion Sensor en CAD

Valor Medido Presentar

[g] [V] [V] [Bit] [Bit] -10 0,5 0,55 28 28 -8 0,9 0,99 50 50 -6 1,3 1,43 73 73 -4 1,7 1,87 95 95 -2 2,1 2,31 118 118 0 2,5 2,75 140 140 2 2,9 3,19 163 163 4 3,3 3,63 185 185 6 3,7 4,07 208 208 8 4,1 4,51 230 230

10 4,5 4,95 252 252 Fuente: Elaborado por los autores

6.3 SELECCIÓN DEL DISPOSITIVO MAESTRO

El dispositivo maestro, en este caso es un microcontrolador, en el cual se buscan

prestaciones que satisfagan las necesidades que presenta el proyecto; además,

para la selección del mismo se ha tenido en cuenta que el software de

programación sea práctico y accesible.

Entre la variedad de microcontroladores mencionados en la sección 5.3.3

(Microcontrolador), para el desarrollo de la tarjeta, se han seleccionado de las

familias de 8 bit dos microcontroladores que se adecuan a los requerimientos de la

76

tarjeta, presentando una cantidad de pines convenientes, módulos de CAD y

comunicación serial además son de dos proveedores con los que se ha trabajado

y se conoce su funcionamiento.

Tabla 27. Alternativas Para Selección Del MCU

Instrucciones pines I/O Canales de CAD Comunicación

35 33 8 MSSP, USARTFrecuencia RAM

PIC 16F877

20 MHz 368 Bytes

Instrucciones pines I/O Canales de CAD Comunicación

85 33 8 SCI - SPI Frecuencia RAM

MC68HC908GP32

8 MHz 512 Bytes Fuente: Elaborado por los autores

Como se muestra en la tabla anterior los dos dispositivos maestros poseen

características similares, sin embargo se ha seleccionado el microcontrolador de

MOTOROLA “MC68HC908GP32”, principalmente por su alto desempeño con

base a la cantidad de instrucciones que maneja, por ser menos susceptible a

interferencias por ruido y principalmente por su facilidad de programación

utilizando el lenguaje gráfico microgrades.

6.3.1 Características estándar del MC68HC908GP32: Las características

principales del GP32 de motorola son15:

• Arquitectura M68HC08 de alto desempeño optimizada para compiladores en C.

• Código objeto completamente compatible con las familias M6805, M146805, y

M68HC05.

• Frecuencia de operación del bus interno de hasta 8MHZ. 15 MOTOROLA, Technical data, Motorola Inc, 2001 p. 32

77

• Seguridad de la memoria flash programable.

• Memoria flash de 32 KBytes.

• Programación del flash In-System.

• Chip programable que no requiere alto nivel de voltaje.

• Módulos de protección del sistema como:

- Reset de operación apropiada (COP).

- Reset de bajo voltaje.

- Detección de código ilegal con Reset.

- Detección de dirección ilegal con Reset.

- Detección de bajo voltaje con opción de reset y puntos seleccionables de

disparo para 3Vdc y 5Vdc de operación.

• Pin Reset maestro con pull-up interno y power-on reset.

• Pin de interrupción con pull-up programable y entrada schmitt-trigger.

• 512 Bytes de memoria RAM disponible para el usuario.

• Dos canales Timer de 16 bits (TIM1 y TIM2).

• Ocho canales de conversión A/D de 8 bits.

• 33 pines de I/O general incluidos:

- 26 pines I/O de función compartida

- 5 a 7 pines dedicados de I/O dependiendo la selección.

• Capacidad de corriente de 10mA para todos los pines.

• Capacidad de corriente de 15mA para PTC0 - PTC4.

• Selección de entradas tipo pullup en los puertos A, C y D.

• Modulo SPI (Serial peripheral Interface).

• Modulo SCI (Serial Communications Interface).

El microcontrolador cuenta con 40 pines, y la disposición de estos se muestra en

la Figura 37. (Asignación De Pines Motorola MC68HC908GP32).

78

Figura 37. Asignación De Pines Motorola MC68HC908GP32

Fuente: MOTOROLA, Technical data, Motorola Inc, 2001 p. 37

Tabla 28. Características MCU Motorola MC68HC908GP32


6.4 DISPOSITIVOS AUXILIARES DE SALIDA DEL MCU

El MCU debe adaptarse con los dispositivos de salida, para proporcionar un buen

manejo y procesamiento de datos, a la vez debe interactuar con dispositivos de

visualización que permitan un ambiente agradable al usuario.

79

6.4.1 Almacenamiento De Variables: Es necesario la utilización de dispositivos

externos al MCU para el almacenamiento de las variables, debido principalmente a

que la capacidad que se requiere es superior a la ofrecida por el microcontrolador

internamente y no se desea saturar el dispositivo (MCU) con información que se

refiera a un vuelo en específico. Con el fín de realizar el almacenamiento de

variables se han de utilizar memorias de tipo serial, que aunque son menos

veloces que las paralelas se acomodan perfectamente a la aplicación debido a

que utilizando un protocolo de tipo serial requieren menor cantidad de hilos y su

velocidad es suficiente.

• Selección De Las Memorias: Para el sistema de adquisición de datos se ha

seleccionado un tipo de memoria EEPROM 24LC256, debido a su capacidad de

almacenamiento de 32 Kbytes, economía y programación, este tipo de memoria es

usada para el almacenamiento de datos y sus ciclos de escritura son mayores; el

tipo de comunicación usada para el dispositivo seleccionado es el protocolo I2C.

En el caso de la tarjeta de adquisición que se esta tratando se requieren de cinco

memorias cuya disposición de pines se puede apreciar en la Figura 38

(Disposición de pines EEPROM 24LC256) se ha dispuesto que cada memoria

almacene una de las variables del sistema con objeto de hacer más fácil y preciso

su direccionamiento y reconocimiento, en el caso de la aceleración se dispone de

una memoria para cada eje.

Figura 38. Disposición de pines EEPROM 24LC256

Fuente: PALACIOS, Enrique, Microcontrolador PIC16F84, Desarrollo de Proyectos, p. 345

80

Tabla 29. Función De Pines EEPROM 24LC256

Vcc Fuente de alimentación

Vss Masa

SDA Línea de datos de bus I2C

SCL Línea de reloj del bus I2C

A2, A1 y A0 Líneas de dirección

WP Protección contra escritura

Fuente: PALACIOS, Enrique, Microcontrolador PIC16F84, Desarrollo de Proyectos, p. 345

• Características principales de EEPROM 24LC25616 - Capacidad de 256 Kbits o 32 Kbytes de memoria.

- Los 32 kbytes están organizados en 128 bloques de 256 bytes cada uno.

- Memoria serie con interfaz I2C.

- Alimentación entre 2.5 a 5.5 Voltios. Valor típico 5 V.

- Consumo de 3 mA en proceso de escritura, 400µA en lectura y 100nA en

standby.

- Un millón de operaciones de borrado y escritura.

- Retención de datos durante 200 años.

- Las líneas de memoria A2, A1 y A0 permiten conectar varias memorias en el

mismo circuito.

- Sistema de protección contra escritura accidental WP. Si WP se conecta a

masa el funcionamiento del chip es normal, si se conecta a Vcc no es posible la

escritura de la memoria.

• Protocolo de comunicación de las Memorias seleccionadas: El dispositivo

seleccionado requiere un protocolo de comunicación con I2C, es de notar que la

selección del dispositivo de almacenamiento EEPROM, no es de manera casual,

16 PALACIOS, Enrique, Microcontrolador PIC16F84, Desarrollo de Proyectos, p. 345

81

debido a que se ha querido trabajar con este protocolo desarrollado por Phillips de

acuerdo a la cantidad de hilos para su operación y su cómodo manejo para la

transmisión y adquisición de datos.

La conexión de los dispositivos que se comunican mediante el protocolo I2C se

basa en dos hilos que son controlados por el dispositivo Maestro, estos dos hilos

son SDA y SCL, los cuales deben ir conectados a las resistencias de pullup, sin

embargo el maestro “MC68HC908GP32” tiene la cualidad de manejar las

resistencias pullup haciendo la activación para cada pin que se desee, estos

dispositivos deben ser nombrados mediante los pines A2, A1, y A0, de tal manera

que el nombre esta determinado por “1-0-1-0-A2-A1-A0-R/W”. Para el sistema se

han nombrado las memorias como 160, 162, 164, 166, 168.

Figura 39. Disposición De Las Memorias EEPROM Para El Sistema


6.4.2 Dispositivo De Visualización: Para la visualización del proceso que está

ejecutando el microcontrolador se ha seleccionado una pantalla LCD, teniendo en

cuenta su fácil manejo y aplicación, además es un dispositivo excelente cuando de

interactuar con el usuario se trata.

Tabla 30. Disposición Y Función De Los Pines De La LCD Para El Sistema

Pin No. Name Function Pin No. Name Function

1 Vss Ground 8 D1 Data bit 1

2 Vdd + ve supply 9 D2 Data bit 2

82

Pin No. Name Function Pin No. Name Function

3 Vee Contrast 10 D3 Data bit 3

4 RS Register Select 11 D4 Data bit 4

5 R/W Read/Write 12 D5 Data bit 5

6 E Enable 13 D6 Data bit 6

7 D0 Data bit 0 14 D7 Data bit 7

Fuente: ECITRONIK, Memorias Curso Microgrades, LCD, p. 2

Es posible establecer una comunicación con este tipo de dispositivos utilizando

únicamente 4 pines de las líneas de datos, enviando el dato en 2 partes para dos

instantes en vez de un dato de 8 bytes en un solo instante, lo que hace que no se

requiera los otros cuatro pines.

Figura 40. Conexión De La LCD Con El Sistema


6.4.3 Salida Optoacoplada: Para conseguir flexibilidad por parte de la tarjeta de

medición en cuanto a los dispositivos que se quieren adaptar a la salida, se ha

dispuesto utilizar una salida optoacoplada, que sea capaz de soportar altas cargas

en cualquier dirección.

• Salida optoacoplada con TRIAC: Se realiza ésta alternativa de salida con

objeto de manejar principalmente cargas netamente resistivas o con un valor

inductivo bajo que se encuentren tanto en AC como en DC, es posible utilizarla si

83

para hacer pasar una corriente muy alta a un determinado dispositivo que active

un calentador o queme un fusible para iniciar otro proceso de ignición y así volver

a propulsar el vuelo. - Cálculos: A la salida del microcontrolador se ha de colocar un led indicador, en

serie con el optoacoplador, y una resistencia limitadora de corriente (ver figura 43).

El valor de la resistencia es de

( )out

indicadoroptoout

IVVV

R+−

=

Donde:

Vout = Voltaje de Salida del microcontrolador [V],

Vopto = voltaje que requiere el led del optoacoplador [V]

Vindicador = Voltaje del led indicador rojo

[ ] ( )[ ][ ] [ ]Ω=+−

= 12020

3.13.15mA

VVR Comercialmente R = 120 Ω

Mientras el microcontrolador mantenga la salida inactiva , el condensador se carga

con el valor del voltaje que accionará la carga como se muestra en la figura 41.

Figura 41. Carga Del Condensador De La Interfaz Optoacoplada


La carga del condensador esta determinado por:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −×=

−RC

teVentradaVc 1

84

Donde

entrada

RCt

VVce =⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ −

−1

1−=−−

entrada

RCt

VVce

entrada

RCt

VVce −=

−1

Donde entradaV

Vc es siempre menor que un representando el porcentaje de carga

del condensador

Aplicando Ln a ambos lados de la ecuación tenemos:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−=

×−

entradaVVcLn

CRt 1 ⇒ ( ) ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−⋅×=−

entradaVVcLnCRt 1

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−⋅×−=

entradaVVcLnCRt 1 ⇒ ( ) [ ]aCLnCRt arg1 •

•−⋅×−=

Para R = Rmínima y C = 1ηf

( ) [ ]aCLnCtR

arg1 ••−⋅

−=

R minima =2.2 KΩ

Cuando el opto-triac se acciona la carga permite el flujo de corriente de MT1 a

MT2, para ese instante el circuito es como en la figura 42 (Comportamiento del

triac accionado).

Para asegurar el disparo se requiere sostener el pulso por lo menos un τ =1µs, de

acuerdo a esto:

CR2=τ

85

Con un condensador de 1ηf, el valor de la resistencia es:

[ ][ ]f

sC

Rηµτ

11

2 ==

[ ]Ω= 1000R Valor mínimo de la resistencia.

Figura 42. Comportamiento Del TRIAC Accionado


Para generar el voltaje suficiente al gate del triac de potencia se calcula una

resistencia en serie de un valor bajo, de tal manera que se genere un divisor de

voltaje que polarice con el 85% del voltaje almacenado al gate del triac de

potencia.

22

2 RRsRVcVR +

×=

85.02 =VcVR

Para hacer el modelo lo más flexible que se pueda se ha seleccionado un

porcentaje elevado de valor presente en la resistencia R2, la cual dispara el triac

de potencia, por ende el valor de voltaje accionamiento de la carga es mínimo de

1.15×Vgate del triac de potencia

2285.0RRs

R+

= ⇒ 285.02 RRRs −=

86

100085.0

1000−=Rs ⇒ [ ]Ω= 176Rs

Comercialmente 180 Ω

El circuito de la interfaz optoacoplada es finalmente como se muestra en la figura:

Figura 43. Salida Optoacoplada Con TRIAC Para El Sistema


• Salida optoacoplada con Transistor: Esta salida se realiza para cargas de

tipo resistiva e inductiva, su disposición se puede apreciar en la figura 44.

- Cálculos: A la salida del microcontrolador se ha de colocar un led indicador, en

serie con el optoacoplador, y una resistencia limitadora de corriente, para el

optotransistor LTK817.

El valor de la resistencia es de

( )out

indicadoroptoout

IVVV

R+−

=

Donde:

Vout = Voltaje de salida del microcontrolador,

Vopto = voltaje que requiere el led del optoacoplador

87

Vindicador = Voltaje del led indicador rojo

[ ] ( )[ ][ ] [ ]Ω=+−

= 12020

3.13.15mA

VVR

Comercialmente R = 120 Ω

Cuando la señal del microcontrolador pasa de un nivel bajo a uno alto, la señal es

recibida por el optotransistor quien a su vez actúa como circuito de disparo para el

transistor que activa la carga; en caso contrario no se polariza la base del

transistor de potencia, lo que implica que no fluye corriente a través de la carga.

Figura 44. Esquema De Funcionamiento De La Salida Optoacoplada Con Transistor

Fuente: Elaborado por los autores.

Al activarse el pulso de salida, se cierra el colector-emisor del optoacoplador, y por

tanto se polariza la base del transistor de potencia quien entra en saturación

permitiendo el flujo de corriente en la carga.

Se diseña para manejar una carga de 100 Watts que no exceda una corriente de

4[A].

Con un transistor de potencia TIP112.

ß=1000

Debido a que el transistor va a trabajar en corte y saturación se utiliza un nuevo ß

igual a ßsat =10% x ß.

88

Se cumple que:

BC II ×= β

La corriente en el colector es igual a la corriente de la carga, luego:

100][4 AII C

B ==β

][04,0 A IB =

BEoroptocopladECRBB VVVV ++= )(

( )[ ] [ ]VV VRIV BBB 7,0][1 ++×=

( ) [ ]VRA V BB 7,1][][04.0 +Ω×=

Si RB=100 [Ω]

VB=5,7[V]

El VB debe ser obtenido del divisor de voltaje que polariza la base, por lo cual las

resistencias R1 y R2 son:

VR1=VB

21

11 RR

RVV CCR +

×=

11

12 R

VRRV

R CC −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ×=

Con R1=1[KΩ], VCC=24[V]=Voltaje de alimentación máximo de la carga, entonces:

][1][7,5

][1][242 Ω−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Ω×= K

VKVR

R2= 3210 [Ω]

R2=3 [KΩ] Comercial

89

Figura 45. Salida Optoacoplada Con Transistor Para El Sistema


6.5 PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLADOR MC68HC908GP32 Para la programación del MCU se ha seleccionado el prototipo de programador

MICROGRADES ya que es una aplicación de ambiente gráfico y se hace amigable

al usuario teniendo diversas herramientas poderosas como estructuras de

programación, compuertas lógicas, comparadores, estructura de movimiento, entre

otras que hacen mas sencilla la programación de los microcontroladores motorola,

es importante destacar que debido a la gran cantidad de instrucciones de

programación con las que cuenta motorola, el ambiente gráfico es una buena

opción.

Para la tarjeta de medición de datos, se requiere hacer el reconocimiento del dato

(altura, inclinación y aceleración) para realizar el posterior direccionamiento al

dispositivo de almacenaje que corresponda y además, el procesamiento con el

dato de altura con el fin de determinar cuando activar el sistema de frenado del

vehículo por medio del actuador, debe recibir un dato que indique comenzar la

transmisión de los datos almacenados por medio de una interfaz (RS232) al

software desarrollado, la tarjeta debe contar con elementos indicadores del

proceso que se esté realizando.

90

Se ha desarrollado un esquema en el cual se aprecia el comportamiento y trato

que se ha de dar a cada variable, además es necesario en cuanto a que facilita

dar una secuencia lógica al programa que se ha de desarrollar.

Figura 46. Esquema Funcional Del Programa


6.5.1 Configuración Para Inicio Del Trabajo: Para un desarrollo satisfactorio de

la aplicación es necesario configurar los aspectos y parámetros para el

funcionamiento del MCU.

• Configuración Núcleo - Estructura: Se configura la frecuencia de la tarea

rápida a 1000 Hz, tarea Normal a 100Hz. Se selecciona 1 en temporización y

pulsos para acceder de forma convencional a los relojes y los contadores que

utiliza microgrades. Se declara el puerto C como entrada, esto hace aparecer un

menú de entradas y salidas digitales donde se configuran los pines del

microcontrolador que se han de utilizar. Se selecciona 1 en las entradas análogas

Altura 0-5 Vdc

CAD altura

Direccionamiento Variable altura

Inclinación 0-5 Vdc

CAD incl

Direccionamiento Variable incl

Aceleración 0-5 Vdc

CAD Acel

Direccionamiento Variable Acel

EEPROM 1010001

EEPROM 1010000

EEPROM1010010

Comparación Anterior >nuevo

IgualdadAND

Actuador Salida optoacoplada

RS232 PC

Dato a tx o rx

Selección de proceso Proceso actual

Pantalla LCD e indicadores

Distribución de tarea

Comparación Nuevo > altura

EEPROM 1010011

EEPROM1010100

91

con el objeto de habilitar las entradas de este tipo para el microcontrolador,

cuando se hace esto se abre un menú con el nombre de análoga en el cual se

debe configurar los canales por los cuales se hará la recepción de las señales de

los sensores de Altura, inclinación y aceleración. Se realiza la configuración de las

salidas digitales por el puerto D para la interfaz opto acoplada y demás

indicadores exceptuando el display. Se configura el puerto serial asíncrono con 3,

para poder utilizarlo de entrada y salida, cuando se realiza este paso se abre un

menú llamado serial SCI. Se configura el display de visualización con 1, al hacer

este proceso se abre un menú llamado display. Se crea el proceso Aeromodelo,

con el cual se abre un menú en núcleo que se denomina Estados, en él se

generan los estados del proceso.

Figura 47. Configuración De Núcleo Estructura

Fuente: Elaborado por los Autores en Mgdstard Microgrades versión 2.3.19

• Configuración de Núcleo - Recursos: En esta pantalla se debe configurar los

relojes de acuerdo al periodo de la tarea que se esta realizando, para este caso se

han configurado los relojes de acuerdo a la tarea rápida multiplicando cada vez el

periodo por 10, hasta llegar a 1 segundo.

92

Microgrades hace un arreglo de acuerdo a su programación interna para poder

compilar los programas y cuenta con parámetros ya establecidos los cuales no se

deben modificar para obtener un buen funcionamiento del programa.

Figura 48. Configuración De Núcleo Recursos


• Configuración Núcleo - Estados: Se han creado 8 estados para lograr hacer

efectiva la tarjeta, en los cuales se establecen tareas específicas que obedecen al

comportamiento adecuado del sistema en un determinado momento.

Los estados creados son:

93

- Estado de reposo: El sistema se encuentra inactivo, esperando la toma de

decisión prioritaria (ejecutada por el usuario) captura de los datos o transmisión de

los mismos.

- Estado de referencias (REF): Se realiza la toma de los datos de referencia o

iniciales del vehículo.

- Estado de monitoreo1: Se detecta cuando hay un incremento en la altura para

avanzar en el estado.

- Estado de captura: Se direccionan los datos hacia las memorias y se realiza la

captura de los mismos.

- Estado de monitoreo2: Se detecta que datos son los requeridos por el usuario.

- Estado de Transmisión: Son cinco estados en los cuales se transmite cada uno

de los datos almacenados en las memorias de acuerdo a la dirección de la

EEPROM en donde se ubiquen.

Figura 49. Configuración Núcleo Estados


• Menú de Interfaz Análoga: Se seleccionan en los canales de ADC las

variables que se quieran asignar a los registros donde se guardará la conversión

análoga digital de 8 bits de resolución, se logra una calibración muy precisa si se

anotan los valores correspondientes al máximo de los sensores y se ajustan los

94

valores de los parámetros que aparecen en la pantalla, el valor 1 en integraciones

hace referencia al promedio de un valor que adquiere el conversor, el parámetro

que aparece en valor medido desde el ADC corresponde a la medición máxima

que se logra obtener en relación con la referencia, se ha calibrado para cada

sensor de tal manera que al realizar el acondicionamiento con la ganancia, se

obtengan los parámetros mostrados, el valor a presentar corresponde al valor

medido, es decir el valor que se ha de almacenar en las memorias, de acuerdo a

los cálculos realizados en la sección Acondicionamiento de señal, conversor

análogo digital.

Figura 50. Menú De Interfaz Análoga

Fuente: Elaborado por los autores en Mgdstard Microgrades versión 2.3.19

95

• Menú de entradas y salidas digitales: Se configura como entradas los pines

0 y 1 del puerto C, con el nombre de capturar datos y enviar datos. Las salidas del

sistema se configuran en el puerto D utilizando los pines 2, 3, 4, 5.

Figura 51. Menú De Entradas Y Salidas Digitales


• Configuración Del Display: Se ha seleccionado una pantalla de 2 filas y 32

caracteres, se seleccionan los pines del puerto A para funciones propias de las

pantallas LCD, microgrades configura rutinas para que se realice la visualización

por medio de plantillas

Figura 52. Configuración Del Display


96

• Configuración de la transmisión Serial: En el menú serial SCI se llaman las

variables de recepción y transmisión MITX y MIRX creadas anteriormente en el

menú de variables, además se configura la velocidad de transmisión y recepción a

1201 baudios, valor que corresponde al asignado por microgrades como

corrección a 1200 de acuerdo a el cristal que se tiene, además se configura la

cantidad de bits de los datos en 8, y se especifica si habrá simultaneidad en la

transmisión y recepción con 0 en Rx y Tx simultáneos, es importante destacar que

microgrades crea una banderas que se utilizan en la programación para activar y

desactivar la transmisión y recepción, estas banderas son TXFLAG y RXFLAG

Figura 53. Configuración De La Transmisión Serial


97

• Configuración Especiales: En este menú se debe configurar los bites SDA y

SCL de acuerdo a como se han de cablear los dispositivos que trabajan con el

protocolo I2C, los pines que se configuran para esta aplicación son B1 y B0

respectivamente, además en éste menú se debe enviar la cantidad de bits para

recibir, así como también se debe declarar una variable de banderas de I2C para

la cual se nombran dos bits como banderas de Transmisión y recepción.

Figura 54. Configuración Especiales


• Configuración de Formatos: Se crean los formatos y plantillas del display de

visualización, a continuación se presentan los formatos propios del programa. ´

Figura 55. Configuración De Formatos


98

• Configuración de Datos: Se configuran datos de acuerdo a los tipos de datos

que se necesiten, se declaran datos de tipo variables y booleanos, los datos se

utilizan a disposición de la programación, para llevar registros y declarar banderas

de programación propias del diseñador, a continuación se muestran las pantallas

con las variables que se han declarado para el programa.

Figura 56. Configuración De Datos


6.5.2 Desarrollo De La Inicialización: Es necesario inicializar las variables con un

nivel bajo, es decir limpiarlas cada vez que se inicie el programa para no tener

registros que puedan ser falsos; para esto se hace uso del icono “llenado de un

bloque de bytes con una constante” en él se debe indicar el valor con el que se

van a llenar las constantes, el número de constantes que se va a llenar con ese

valor y desde que registro donde se ubica la variable se comienza el llenado.

Para la aplicación se llena toda la longitud de las variables del programa que se

han declarado con cero partiendo desde la variable ANALTURA Registro (00)

99

Figura 57. Desarrollo De La Inicialización


6.5.3 Desarrollo de la aplicación: En la aplicación se desarrollan los dos tipos de

tarea principal, que son la tarea a 1000 Hz y la tarea a 100 Hz conocidas

respectivamente como tarea rápida y tarea normal.

• Desarrollo de la tarea rápida: Se hace uso de los iconos “selector de estados

de proceso” en él se hace el llamado del proceso a utilizar, “copia de un bit en

otro”, y “retardo al trabajo con tiempo constante”.

Para la aplicación se llama el proceso aeromodelo y se mueven los registros

boléanos desde las entradas digitales que seleccionan “CAPTURADATOS” o

“ENVIARDATOS” hasta los registros boléanos que se han creado como banderas

”BBCAPTURAR” y “BBENVIAR” respectivamente, También se mueve un pulso el

cual se ejecuta cada décima de segundo a una bandera denominada

“BBTIEMPO1” la cual controla el tiempo de grabación y lectura de las memorias;

se realiza un temporizador al trabajo de 15 segundos el cual es encendido por la

bandera de “BBALTURA2”, dicha temporización activa las salidas optoacopladas

sal3 y sal2 15 segundos después de su activación.

Figura 58. Desarrollo De La Tarea Rápida


100

• Desarrollo de la tarea Normal: En la aplicación se compara cuando la

variable “ANAALT” es menor que la altura correspondiente a el valor 64 que

corresponde al 25%, del valor del CAD (valor estimado conveniente para habilitar

la salida del dispositivo de frenado que se ha seleccionado). Cuando esta

condición es cierta, se activa la bandera “BBALTURA1” la cual habilita un bloque

en el que se compara cuando la variable “ANAALT” es mayor que 64, cuando esto

ocurre, se activa la bandera “BBALTURA1” que activa las salida “SAL5” y “SAL4” y

el temporizador de 15 segundos en la tarea rápida; con esta disposición se logra

que se active la salida únicamente cuando el vehículo se encuentra en descenso y

a una altura máxima del 25% del rango del sensor de altura medido;

Figura 59. Desarrollo De La Tarea Normal


6.5.4 Desarrollo De Los Módulos: en los módulos se desarrollan los estados que

se han creado, cuando en la tarea rápida se hace el llamado de estado, el

programa entra al primer modulo o estado que se ha creado para el proceso

Aeromodelo.

• Primer estado, REPOSO: Se hace uso de los iconos “Fijación de plantilla para

visualización”, “and lógica entre dos bits”, “cambio de estado del proceso”, “copia

de una constante en un byte”

En la aplicación, se fija la plantilla “Seleccione Proceso” si está la entrada

“CAPTURARDATOS” y no se encuentra la bandera “BBCAP” que indica que ya

101

hay datos capturados, el programa avanza al estado de referencias, además

verifica si se encuentra la entrada “ENVIARDATOS” con la cual avanza al estado

de segundo monitoreo; también carga a cero las variables “TEMPORAL1” y

”BANDTIEMPO”.

Figura 60. Estado De Reposo


• Segundo estado, REFERENCIAS: Se hace uso de los iconos “Fijación de

plantilla para visualización”, “Visualización de un byte en una plantilla”, “Escritura

en dispositivos externos”, “Llamado a una subrutina sin argumento”, “copia de un

byte en otro”, “Retardo al trabajo con tiempo constante”, “cambio de estado del

proceso”.

En la aplicación se visualiza el formato de Referencias, y en él los valores iniciales

con los que parte el vehículo, se hace la grabación de estos valores en la

memoria correspondiente en la posición de la parte baja de la variable contador

“BAJACONTADOR”, esto se realiza utilizando el protocolo I2C; se encienden las

banderas propias del estado y se da espacio de tres segundos para avanzar al

estado monitoreo. Es importante destacar que se puede cancelar este estado

deshabilitando la entrada “CAPTURARDATOS”.

102

Figura 61. Estado De Referencias


• Tercer Estado, Monitoreo1: Se hace uso de los iconos “Fijación de plantilla

para visualización”, “Visualización de un byte en una plantilla”, “Activar un bit”,

“Comparación de un byte mayor que un byte”, “Cambio de estado de proceso”. En la aplicación se fija la plantilla del estado en el que se encuentra y en ella se

presenta el valor de la referencia de altura que se ha tomado y el valor actual en el

que se encuentra la altura; en este estado se comparan el valor de referencia de

altura con el valor actual de altura, al detectar un cambio se avanza al proceso de

captura. Este proceso se puede cancelar deshabilitando la entrada

“CAPTURARDATOS”.

103

Figura 62. Estado De Monitoreo1


• Cuarto estado, CAPTURA: Para la aplicación se visualiza la plantilla que

indica que se están capturando los datos, se enciende la bandera de captura de

datos y se capturan los mismos a la velocidad que se ha especificado en la tarea

rápida; los datos se capturan en la posición que indica el contador Para salir de

este estado es necesario que el contador llegue a la cantidad de posiciones de

memoria que se tengan o se deshabilite la entrada “CAPTURARDATOS”

Figura 63. Estado De Captura


104

• Quinto estado, MONITOREO2: En la aplicación se verifica si hay algo en el

buffer de escritura, si hay algo se deshabilita la recepción y se compara con los

valores que se han accionado para reconocer cual es la naturaleza del dato que

se pide, y de esta manera se direcciona el programa al estado que corresponda.

Para salir de este estado es necesario deshabilitar la entrada “ENVIARDATOS”.

Figura 64. Estado De Monitoreo2


• Estados de Transmisión: de acuerdo al estado que se haya seleccionado, ya

sea la transmisión de datos de altura, inclinación o aceleración en un eje en

particular, se lee el dato de la memoria en la posición del contador, se envía al

buffer de transmisión por el puerto serial, y en el visualizador se presentan los

105

datos transmitidos y la posición de memoria, el contador se incrementa hasta la

cantidad de posiciones de memoria que se tenga y al llegar a este valor salta a

Monitoreo 2 en donde se resetea el valor del contador. En la figura se muestra el

diagrama de transmisión1, los demás estados de transmisión son idénticos.

Figura 65. Estados De Transmisión


6.6 DISEÑO DEL SOFTWARE EN LABVIEW

Para desarrollar el software de visualización en Labview, se han tenido en cuenta

las variables de entrada y su tratamiento, es así como se generan diversos

paneles que contienen funciones específicas para la visualización y procesamiento

de los datos almacenados por el sistema.

6.6.1 Pantalla Principal: En ésta se encuentra el botón de inicio para el

procesamiento de las variables, cinco botones que indican cada uno de los datos a

106

adquirir (altura, Inclinación y la aceleración en cada uno de los ejes) según lo

requiera el usuario.

Existe un botón de SALIR para acabar con el procesamiento de los datos.

Figura 66. Pantalla Principal

Fuente: Elaborado por los autores en Labview 7.1 de National Instrument

• Diagrama de Programación pantalla principal: En éste diagrama se hace

uso de las estructuras “While Loop” y “Case Structure” e iconos de enlace con el

panel frontal. La estructura While Loop se ejecuta hasta el momento en el que se oprime el

botón de SALIR desde la pantalla principal, esta estructura enmarca todo el

programa de adquisición y procesamiento de datos, el cual se ejecuta en el

momento que el usuario da click en el botón de inicio, él habilita cada uno de los

casos contenidos en la estructura que corresponden al llamado de los SubVI de

datos de altura, Inclinación o aceleración ( X, Y o Z), de acuerdo a lo que le pida el

usuario al programa.

107

Los SubVI se ven representados como iconos, en los cuales se hace el

procesamiento y adquisición de los datos transmitidos por la tarjeta según

corresponda.

Figura 67. Diagrama De Programación Pantalla Principal

Fuente: Elaborado por los autores en Labview 7.1 de National Instrument

6.6.2 Parámetros De Los Sensores: Existen tres paneles donde se indican los

parámetros de funcionamiento de cada sensor, se decidió colocar este panel para

dar facilidad de cambio de sensor en la tarjeta según el requerimiento del usuario.

• Paneles de parámetros de los sensores: Se encuentran las características

principales que definen la función de relación de entrada y salida del sensor, en

este caso se solicitan el rango máximo y el rango mínimo de medida, en grados

para el sensor de inclinación, en Kpascales (presión) para el sensor de altura y en

gravedades para el sensor de aceleración; así como los valores en voltaje que

corresponden a la salida máxima y mínima, esto para establecer el ancho de

108

ventana y determinar los datos reales de la medición en el vuelo durante el

procesamiento de los datos en la pantalla de visualización. Para el caso de los datos de altura, el sensor da sus medidas en presión que

posteriormente son procesados para ver el valor correspondiente en altura.

Figura 67. Panel De Parámetros De Los Sensores

Fuente: Elaborado por los autores en Labview 7.1 de Nationals Instruments

Para el caso específico del sensor de inclinación seleccionado se tiene:

- Rango máximo de medida en grados = 200º

- Rango mínimo de medida en grados = -200º

- Voltaje máximo de salida que corresponde a 200º = 4,5 [V]

- Voltaje mínimo de salida que corresponde a -200º = 0,5 [V]

En el caso del sensor de altura los rangos de medida están indicados en presión y

se tiene para el sensor seleccionado lo siguiente:

- Rango máximo de medida en Kpa = 115 [Kpa]

- Rango mínimo de medida en Kpa = 15 [Kpa]

- Voltaje máximo de salida correspondiente a 115 [Kpa] = 4,5 [V]

- Voltaje mínimo de salida correspondiente a 15 [Kpa]= 0,2 [V]

109

En el caso del sensor de aceleración los rangos de medida están indicados en

gravedades y se tiene para el sensor seleccionado lo siguiente:

- Rango máximo de medida en gravedades = 10 [g]

- Rango mínimo de medida en gravedades = -10 [g]

- Voltaje máximo de salida correspondiente a 10 [g] = 4,5 [V]

- Voltaje mínimo de salida correspondiente a -10 [g] = 0,5 [V]

• Diagrama de programación: Los datos ingresados en los paneles son

almacenados y corresponden a las salidas del SubVi que es llamado por el panel

de visualización para el correspondiente procesamiento.

Figura 69. Diagrama De Programación Parámetros De Inclinación.


Los iconos que caracterizan los paneles se aprecian en la figura 70 (Iconos de los

SubVi de parámetros de los sensores).

Figura 70. Iconos De Los Subvi De Parámetros De Los Sensores.


110

6.6.3 Panel De Visualización Gráfica: Al ser llamados los paneles de

visualización de altura, inclinación o aceleración, creados como SbVi y ubicados

en el panel de la pantalla principal, se dispone a realizar la adquisición y

procesamiento de los datos obtenidos durante el vuelo, en este se puede

visualizar la curva generada y una tabla donde se almacenan los datos y el

tiempo, cada variable dispone de un panel de visualización con las mismas

características, pero es importante destacar que el procesamiento de los datos

depende de la naturaleza de la variable.

El usuario puede detener la adquisición de los datos con el botón de TERMINAR,

cuando lo estime conveniente o simplemente dejar que el programa termine

adquiriendo la cantidad de posiciones de memoria grabadas.

Esta pantalla podrá ser cerrada cuando el usuario lo desee una vez termine la

adquisición y el indicador señale el 100% o después de haber oprimido el botón de

terminar; para proceder a la adquisición de los siguientes datos ya sean los de

altura, inclinación o aceleración.

Figura 71. Panel De Visualización Gráfica


111

• Diagrama de Bloques: En este diagrama se configura la comunicación serial

para la adquisición de los datos y procesamiento de la señal, es importante aclarar

que la adquisición de los datos se realiza de la misma manera en los tres casos

(Altura, Inclinación y aceleración) y que solo varia la escritura en el puerto para

iniciar la transmisión y el procesamiento de los datos correspondientes a cada

sensor. Se hace uso de una secuencia la cual se desarrolla de la siguiente manera:

- Llamado del SubVI: Se llama el SubVi de los parámetros correspondientes al

procesamiento del dato indicado o solicitado por el usuario en la pantalla principal.

Figura 72. Llamado Del Subvi Para Los Parámetros


- Configuración del puerto serial: Mediante el uso del icono VISA Configure

Serial Port se establecen los parámetros de configuración del puerto serie. En la

figura 73 (Configuración del puerto serial) se observa la asignación de los

parámetros utilizados.

Se han especificado las siguientes características:

- 1200 baudios de velocidad de transmisión

- Se utilizará el puerto serie COM 1.

- Número de bits de datos = 8

- 1 bit de parada

- No tendrá paridad

- Se anexa un indicador de error en al comunicación.

112

Figura 73. Configuración Del Puerto Serial


- Configuración para escritura en el puerto serie: Es necesario enviar un valor

que muestre la naturaleza y que sirva como bandera para indicar que ya esta lista

la recepción de un grupo de datos específicos (altura, inclinación o aceleración en

X, Y o Z), según corresponda el valor enviado.

Se ha configurado con las siguientes características:

- Número del puerto COM 1.

- El valor (dato) a enviar está almacenado en un array numérico que se convierte

en cadena de caracteres de string para poder escribir en el puerto serie, de

acuerdo con los datos a adquirir se asigna un valor así:

Datos de altura = 49

Datos de Inclinación = 50

Datos de aceleración en: Eje X = 51; Eje Y = 52, Eje Z = 53.

- Se anexa un indicador de error en la escritura.

Figura 74. Configuración Para Escritura En El Puerto


113

- Retardo de seguridad: Se ha de colocar un retardo de 100[ms] para dar tiempo

a que se complete la transmisión de datos.

Figura 75. Retardo De Seguridad


- Configuración del puerto para la lectura o recepción de datos: Ha de tener

las siguientes características: - Puerto COM 1

- Número de bytes a leer 1

- Los datos obtenidos son una cadena de caracteres string y se cambian a decimal

para ser almacenados en un array.

- Se anexa un indicador de error

Figura 76. Configuración Del Puerto Para La Recepción De Datos


- Procesamiento de los datos de Inclinación: Se debe determinar el valor real

de voltaje (Vreal) que envía el sensor, esto se realiza dividiendo el valor

almacenado en el arreglo entre el valor resultante del producto de la ganancia y el

valor correspondiente a un voltio en decimal según el CAD. El valor obtenido es la

referencia en voltios del valor de la inclinación, luego realizando una interpolación

114

con los parámetros ingresados del sensor (Rango máximo y mínimo y salida de

voltaje máxima y mínima), se obtiene la ecuación que determina el valor en grados

de la inclinación:

( ) ][][ min][min

]min)[max(min)(

gradosgrados RVVVrealVVV

RRmáxnInclinació +⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−×

−

−=

Figura 77. Procesamiento De Las Señales De Inclinación

Fuente: Elaborado por los autores en Labview de Nationals Instruments

- Procesamiento de los datos de Altura: Igualmente que para los datos de

inclinación se debe determinar el valor real de voltaje (Vreal) que envía el sensor,

esto se realiza dividiendo el valor almacenado en el arreglo entre el valor

resultante del producto de la ganancia y el valor correspondiente a un voltio en

decimal según el CAD.

El valor obtenido es la referencia en voltios del valor de la presión, luego

realizando una interpolación con los parámetros ingresados del sensor (Rango

máximo y mínimo y salida de voltaje máxima y mínima), se obtiene la ecuación

que determina el valor en Kpa de la presión:

( ) ]min[][min]min)[max(

]min)[(Pr KpaRVVVrealVVV

KpaRRmáxesión +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−×

−−

=

115

Debido a que el valor obtenido es de presión, se debe determinar su

correspondencia en distancia, esto se realiza mediante la ecuación de presión en

función de la altura, ya que ésta no posee una relación de correspondencia lineal

para valores de altura elevados. heKpaesión ×−×= 1336.0][3,101Pr

Donde la presión esta en Kpa y la altura en Kilómetros

Despejando la altura se obtiene:

][1336,0

3,101 Km

PLnh

−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=

Posteriormente se multiplica el valor obtenido por 1000 para expresarlo en metros,

y proceder a su visualización mediante una gráfica y almacenado en un reporte.

Figura 78. Procesamiento De La Señal De Altura


- Procesamiento de los datos de Aceleración: Igualmente que para los datos

anteriores, se debe determinar el valor real de voltaje (Vreal) que envía el sensor.

El valor obtenido es la referencia en voltios del valor de la aceleración, luego

realizando una interpolación con los parámetros ingresados del sensor (Rango

máximo y mínimo y salida de voltaje máxima y mínima), se obtiene la ecuación

que determina el valor en gravedades de la aceleración:

116

( ) ]min[][min]min)[max(]min)[( gRVVVreal

VVVgRRmáxnAceleració +⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−×

−−

=

Para obtener la aceleración en [m/s2] se multiplica por el valor de la gravedad

9,81[m/s2].

Figura 79. Procesamiento De La Señal De Aceleración


- Visualización de los datos: Los datos son enviados a una gráfica tipo Chart y

se construye una tabla de datos Vs tiempo que el usuario visualiza a medida de la

adquisición de los datos, además se añade un indicador del porcentaje de los

datos adquiridos.

Figura 80. Visualización De Datos


117

Al mismo tiempo se hace uso de la función “Format & Append” donde se convierte

el dato a formato string y se le asigna el valor de puntos flotantes para el dato.

La cadena de datos es enviada a la función “Concatenate Strings” donde se da

formato al arreglo con un tabulador para separar los elementos y un salto de línea

después del ultimo elemento, asignando de esta manera el tiempo a la primera

columna y los datos a la segunda, los cuales son enviados a un reporte.

- Creación del reporte: Se utiliza la función “Write File” para escribir los datos en

el archivo y la función “Open/Create/Replace File” en el cual se establece la

ubicación del archivo, se configura el tipo de archivo (*.xls, archivo de excel), se

asigna el nombre según la naturaleza de los datos (ACELERACIÓN EJE X, para

el caso ilustrado), y se asigna el valor de 2 para reemplazar y pedir confirmación

siempre del archivo.

Figura 81. Creación Del Reporte


- Cierre del puerto de comunicaciones: Por último se cierra el puerto de

comunicaciones utilizado.

Figura 82. Cierre Del Puerto De Comunicaciones


118

6.7 MACROS EXCEL Para la aplicación se ha creado una macro en Excel que contiene los datos

almacenados en cada uno de los reportes generados por el software de

visualización, en ésta macro denominada VUELO C2-001, se calculan y grafican

parámetros importantes para el análisis del vuelo tales como velocidad de

ascenso, velocidad absoluta, aceleración de ascenso y aceleración absoluta,

mediante los datos obtenidos por la tarjeta.

Figura 83. Disposición De Los Ejes Del Vehículo

Fuente: Elaborado Por Los Autores

El sensor de inclinación mide la desviación del vehículo respecto al eje de

referencia del sensor.

Para un aeromodelo del tipo cohete es importante obtener parámetros que se

liguen con el ascenso, debido a que sus principales pruebas se realizan con el

objeto de medir su elevación, para esta aplicación se determinan los valores de

ascenso pertinentes a velocidad y aceleración, los cuales se obtienen

involucrando las diferencias de los parámetros de Altura y tiempo.

119

thVASCENSO ∆

∆=

tV

a ASCENSOASCENSO ∆

∆=

Para conseguir las mediciones de los valores absolutos para velocidad y

aceleración del aeromodelo, se hace uso de los valores obtenidos por el sensor de

aceleración, de la siguiente manera:

La aceleración absoluta se determina encontrando la magnitud del vector de

aceleración o norma R3, como se cuenta con las aceleraciones de cada eje, la

magnitud del vector en R3 es la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de sus

componentes.

( ) ( ) ( )222ZYXABSOLUTA aaaa ++=

0VVVABSOLUTA +∆=

Donde

taV ABS ∆×=∆

V0 = Velocidad inicial en el punto.

• Reconocimiento de inicio del vuelo inercial o fin del vuelo potenciado: Gracias a la macro y los datos procesados se puede determinar el inicio del vuelo

inercial mediante observación del comportamiento de los datos de la aceleración,

debido a que el empuje que realiza el propelente es directamente proporcional a la

aceleración del vehículo, en particular a la aceleración en el eje X; entonces

cuando la aceleración del vehículo disminuye (el propelente se a terminado) hasta

la aceleración de la gravedad mas el rozamiento se inicia un vuelo inercial, el cual

es el resultado del empuje suministrado por el propelente.

120

A continuación se presentan apartes del macro que se ha realizado en excel, en él

se dividen los datos de tal manera que sea fácil diferenciar los valores no

procesados de los procesados, la macro además, grafica cada marca que en él se

desarrolla. La macro pretende que los valores proporcionen un buen muestreo del

comportamiento del aeromodelo, para que el usuario pueda encontrar una función

de comportamiento que se acomode al mismo y le sea de gran utilidad para el

análisis y mejora de su vehículo.

Figura 84. Vista De La Tabla De Los Datos Adquiridos En La Macro

DATOS ADQUIRIDOS

ALTURA INCLINACIÓN ACELERACIÓN EJES DEL VEHÍCULO

Tiempo Altura Tiempo Inclinación Tiempo Eje X Eje Y Eje Z

[seg] [m] [seg] [grados] [seg] [m/seg²] [m/seg²] [m/seg²]


Figura 85. Vista De La Tabla De Los Datos Procesados En La Macro

DATOS PROCESADOS VELOCIDAD DE

ASCENSO ACELERACIÓN DE

ASCENSO VELOCIDAD ABSOLUTA

ACELERACIÓN ABSOLUTA

Tiempo Velocidad Tiempo Aceleración Tiempo Velocidad Tiempo Aceleración

[seg] [m/seg] [seg] [m/seg²] [seg] [m/seg] [seg] [m/seg²]


Cada uno de los datos tanto los adquiridos como los procesados son graficados

por la macro VUELO C2-001 y se visualiza como en la figura:

121

Figura 86. Vista Típica De Las gráficas De La Macro


6.8 SISTEMA DE FRENADO

Para amortiguar la caída del vehículo cohete no tripulado, se hace uso de un

paracaídas y su sistema de accionamiento controlado por el MCU, evitando

posibles daños en la tarjeta y elementos que contiene.

6.8.1 Características del paracaídas: Para determinar el tamaño del paracaídas

se hace uso de las ecuaciones que describen su aerodinámica.

La fuerza de fricción o resistencia del viento esta dada por:

2

21 VACF dD ×××= ρ

Donde

F D = Fuerza de fricción

ρ = Densidad del aire = 1,22 kg/m 3

Cd = Coeficiente de resistencia

122

A = Área superficial del pabellón

V = velocidad a través del aire

El peso del vehículo cohete es:

Wt=m x g

Donde

m es la masa del cohete

g = gravedad = 9,81 m/s2

Igualando las ecuaciones se obtiene:

Wt = FD

2

21 VACgm d ××=×

Luego el área superficial del pabellón esta dada por:

2

2VC

WAd

t

×××

=ρ

Donde:

Wt = Peso del vehículo cohete

ρ = Densidad del aire = 1,22 kg/m3

Cd = Coeficiente de resistencia, que es 0,75 para un parasheet (hoja plana usada

para un paracaídas), o 1,5 para un paracaídas (pabellón en forma de cúpula

verdadero)17.

V = velocidad deseada para el descenso

A = Área superficial del pabellón

Por tanto para el caso planteado se tiene:

Wt= 15 Kg

ρ = 1,22 kg/m3

Cd = 1.5 17 Parachute descent calculation, http//my.execpc.com/∼culp/rockets/descent.html

123

V = 3,5 [m/s]

Reemplazando, el área superficial del pabellón es:

235.122.1152

×××

=A

A= 1,33 [m2]

A=1,5 [m2]

En términos del diámetro del pabellón:

2

8VC

WD

d

t

××××

=ρπ

2)5,3(5,122,1158×××

×=

πD

D =1,3 [m]

De acuerdo a las estimaciones de vuelo, el paracaídas deberá soportar una

velocidad máxima de despliegue de 300 Km/h y su peso no debe exceder de 1,5

Kg para el buen funcionamiento del sistema de accionamiento.

El volumen dispuesto para almacenar éste tipo de paracaídas es de 1000[cm3].

6.8.2 Sistema De Accionamiento: Se necesita impulsar el paracaídas de tal

manera que salga de su habitáculo tan pronto se abra la compuerta accionada por

el MCU.

• Sistema de expulsión del paracaídas: Se coloca el paracaídas en medio de

dos placas, la placa interior lo impulsa, valiéndose de resortes para ello, mientras

que la placa exterior (compuerta) impide su expulsión hasta el momento que el

microcontrolador de la orden.

124

- Diseño de la placa inferior que soporta el paracaídas: Para almacenar el

paracaídas se dispone de un volumen de 1000[cm3] y un área transversal del

vehÍculo dependiendo del diámetro.

Figura 87. Delimitación Máxima De La Longitud De La Placa


Para determinar la longitud máxima de la placa para el paracaídas se hace uso de

el triángulo delimitado en la Figura 87. (Delimitación Máxima De La Longitud De La

Placa) y calculando se tiene:

( )4522

SenDL×=

DL 707,0=

Para el vehículo con un diámetro interior de 10[cm] se tiene:

][07,7][10707,0 cmL cmL =⇒×=

L=7 [cm] aprox.

El área superficial de la placa esta dada a partir del volumen para almacenar el

paracaídas, como se muestra en la figura 88. (Disposición de la placa).

125

Figura 88. Disposición De La Placa


Para una altura máxima de 7[cm] en el volumen de almacenamiento del

paracaídas se tiene:

][7][1000 3

cmcm

alturaVolumenArea ==

Luego el área superficial de la placa (L x X), es:

][85,142 2cmAreaPLACA =

Como la longitud L máxima de la placa es 7[cm], calculando la longitud X a partir

del área se tiene:

XLAreaPLACA ×=

][4,20][7

][85,142 cmcm

cmX ==

X = 20[cm]

La placa es elaborada en aluminio 2014 -T6 y la resistencia a la fluencia es

][172 MpaY =σ .

Con el fin de determinar el espesor de la placa, se ubican las fuerzas a la que esta

sometida. Para realizar la expulsión del paracaídas, se quiere impulsarlo con una

fuerza del doble de su peso, la distribución de fuerzas en la placa se aprecia en la

figura 89. (Análisis de fuerzas y momentos en la placa).

126

Figura 89. Análisis De Fuerzas Y Momentos En La Placa

Fuente: Elaborado por los autores en MDSolids 3.1.0

Donde w1 es la fuerza ejercida por el paracaídas y la compuerta quien lo esta

oprimiendo hasta el doble de su peso sobre la placa, y las cargas son las fuerza

que deben ejercer los resortes para esa condición.

127

Para el material seleccionado de la placa ][172 MpaY =σ , y se diseña con un factor

de seguridad de 1,2.

Figura 90. Sección Transversal Rectangular


Esfuerzo cortante

2y

y

στ =

][862

][172 MpaMpay ==τ

El esfuerzo cortante permisible esta dado por:

sffalla

per .τ

τ =

2,1][86 Mpa

per =τ

][66,71 Mpaper =τ

Trabajando con la fórmula de la cortante se tiene:

tIQV

××

=τ

Donde

V= Fuerza aplicada

'' AyQ ×=

3

121 hbI ×=

t=b

128

Para la cortante máxima se tiene:

bhb

hbhV

×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ×

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=3

max

121

24τ

Reduciendo la expresión

AV

×= 5,1maxτ

max

5,1τVA ×=

Luego el espesor de la placa es:

max

5,1τVhb ×=×

][2,0][66,71][35,15,1

max mMpaN

bVh

××

=××

=τ

h = 3,13x10-5[cm]

Como el espesor obtenido es bastante pequeño y el mínimo permisible para la

placa, se estima un espesor de 0,2[cm].

Luego la placa tiene medidas de 7[cm] X 20 [cm] X 0,2[cm]

][2,0][20][7 cmcmcmVolumenPLACA ××=

][28 3cmVolumenPLACA =

][1028 36 mVolumenPLACA−×=

- Determinación de los resortes: Se desea que el paracaídas sea expulsado con la

fuerza de su peso, es decir que los resortes ejercerán una fuerza F=3[N], por

tanto, cuando el cerrojo se active se libera el paracaídas.

La fuerza del resorte esta dada por:

amWWF placapR ×=−−

129

Donde:

FR= Fuerza del resorte en Newton

Wp = Peso del paracaídas Kgf

Wplaca= peso de la placa Kgf

m = masa del paracaídas

a = aceleración de expulsión del paracaídas

Para el aluminio 2014 -T6 el γ=2,79[Mg/m3], luego el peso de la placa es:

VolomenWPLACA ×= γ

][10*28]/[79,2 363 mmMgWPLACA−×=

][12,78 gWPLACA =

Luego la aceleración con la que se expulsa el paracaídas es:

mWWF

a placapR −−=

][153,0][078,0][5,1][3

KgNNNa −−

=

a = 9,29 [m/s2]

La fuerza del resorte es distribuida en cuatro resortes, luego la fuerza ejercida por

los resortes es apreciada en la figura 89. (Análisis de fuerzas y momentos en la

placa) donde cada soporte representa dos resortes, en su defecto se puede

calcular así:

][75,04

][3// NF NF uRcuRc =⇒=

Calculando cada resorte:

XKFR ×=

Para una elongación de X = 3[cm] = 0,03[m]

][03,0][75,0

mN

XFK R ==

K = 25 [N/m] Constante del resorte.

130

• Sistema de accionamiento del cerrojo: Para esto, se ha seleccionado un

actuador de tipo eléctrico de simple efecto, que traba la compuerta con su

vástago, lo que mas se destaca en un actuador de este tipo es la cantidad de

montajes para los que es útil, para la aplicación se hace un montaje de cerrojo

como se muestra en la figura 91 (Tipo de montaje del actuador eléctrico de la

compuerta).

Figura 91. Tipo De Montaje Del Actuador Eléctrico De La Compuerta


El modelo seleccionado para este propósito es suministrado por Nafsa S.L.

pertenece a la serie ECM ver anexo 6 y sus características son:

Tabla 31. Características Del Actuador

Tensión nominal 24 V

Grado de proteccion IP – 40

Resorte de retorno Bajo demanda

Fuerza magnetica [N] Tipo Carrera Factor de

Marcha %

Consumo

a 20º W Principio Carrera Final carrera

Peso

Kg

ECM – 13 10 15 25 0,075 0,5 0.03

Dimensiones

φA B C D E F G φH I J K φL φM

13 30 3 6,6 14,5 17,5 12,5 5 1,8 6,5 M-10 2 16

Fuente: NAFSA S.L. Electroimanes lineales de simple efecto serie ECM, pag.1

www.nafsa.es/pdf/ECM.pdf

131

El vástago esta diseñado en acero 1020 entonces el esfuerzo normal es σy=296

Mpa, si se tiene un factor de seguridad FS=1.2, entonces:

El diámetro del pasador es de 2mm y su área es:

4

2DA ×=π

4])[102( 23 mxA

−×=π

A = 3,141x 10-6[m2]

2y

y

στ =

][1482

][296 MpaMpay ==τ

El esfuerzo cortante permisible esta dado por:

sffalla

per .τ

τ =

2,1][148 Mpa

per =τ

][123 Mpaper =τ

Luego la fuerza perpendicular máxima que puede soportar el vástago es:

AF

=τ

AF per ×= τ

])[1014,3(][123 26 mxMpaF −×=

F = 386,41[N]

Por lo que el actuador soporta la carga a la que esta sometido de F=3[N].

132

• Diseño de la compuerta: La compuerta debe soportar en el peor de los casos

la fuerza ejercida por el resorte más la fuerza de la masa, y el área es la misma

que la de la placa inferior que soporta el paracaídas. Luego el diseño del área será como se muestra en la figura 92. (Vista superior de

la compuerta). Las medidas de la figura están dadas en milímetros.

Figura 92. Vista Superior De La Compuerta


Se diseña de ésta forma para asegurar la expulsión del paracaídas de una forma

más simple y para que la compuerta se deslice mejor.

La fuerza F= 3[N] calculada anteriormente es ejercida en el centroide de la

compuerta, el cual esta dado por:

Calculando el ángulo α

haSen =α

[ ][ ] mmmmSen ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= −

50351α

adr 7754.0º427.44 ==α

133

Calculando la dimensión r 222 rah +=

( ) ( )222 ][35][5 mm mm0 r −=

][57.3][71.35 cm mm r ==

Tabla 32. Centroides De Áreas

Forma X Y ÁREA

Sector

rectangular

2LX = 0 hL×

Sector

Circular

αα

32 SenRX ×

= 0 2R×α

Sector

Triangular

rX32

= 0 2

rbase×

Fuente: P. Beer, Mecánica vectorial para Ingenieros, Estática, edt. McGraw-Hill, 1997.

Centroide del sector circular:

αα

32 SenRX ×

=

134

( ))7754.0(350

35][502

rad

mmX

×=

][309.30 cm mmX ==

Centroide del sector triangular:

rX32

=

( )][71.3532 mm X =

][38.2][80.23 cm mm X ==

Centroide del sector semicírculo

Centroide del semicírculo= centroide del circular - centroide del triangular

∆−= XXX oso

][8.23][09.30 mm mm Xso −=

][629.0][29.6 cm mm Xso ==

Centroide del sector rectangular

2LX =

Donde

L=220+(R-r)

3,234)7,3550(220 =⇒−+= LL

Luego el centroide es:

2][3,234 mmX =

][71,11][15,117 cm mm X ==

Centroide de toda la aleta

semicículorectánguloaleta XXX 2+=

( ) ( )][29.62][15,117 mmmmXaleta ×+=

][9,12][73,129 cm mm Xaleta ==

135

Figura 93. Centroide De La Compuerta.


La fuerza que debe soportar la compuerta es como máximo la ejercida por los

resortes más el peso del paracaídas, es posible calcular el momento flexionante

máximo al que puede estar sometida así:

La compuerta esta elaborada en aluminio 2014 -T6 con ][172 MpaY =σ , y se sabe

que el espesor de la estructura del vehículo es de 3[mm], con un diámetro interno

de 10[cm].

Figura 94. Disposición De Los Momentos En La Compuerta


Posición del eje neutro R:

∫=

A rdAAR

Unidades en mm

136

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

irr

b

AR0ln

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×

×=

][050,0][053,0ln2343,0

][003,0][2343,0

mmmmR

R= 0,051485[m] = 5,1485[cm]

Se debe determinar el momento en la parte superior e inferior de la compuerta, ya

que no se sabe donde se ejerce el máximo.

En la parte inferior sometida a compresión con ][172 Mpa−=σ , se tiene:

( )( )RrrA

rRM

i

i

−×−

=σ

( )( ) ( )][051485,0][0515,0][05,0][003,0][2343,0

][05,0][051485,0][172mmmmm

mmMMpa−×××

−=−

][06,61 NmM −=

La parte superior esta sometida a tensión con ][172 MpaY =σ , y se tiene:

( )( )RrrA

rRM−×

−=

0

0σ

( )( ) ( )][051485,0][0515,0][053,0][003,0][2343,0

][053,0][051485,0][172mmmmm

mmMMpa−×××

−=

][44,63 NmM −=

Luego el momento máximo que se puede aplicar sobre la compuerta es de

61,06[Nm].

Comparando el momento que produce la fuerza sobre la compuerta con el

momento máximo que soporta se puede determinar si el espesor de 3[mm] de la

137

compuerta es suficiente o hay que modificarlo, es decir si la compuerta soporta el

momento que produce la fuerza o carga aplicada en ella.

Momento producido por la fuerza ejercida sobre la compuerta

dFM ×=

Donde

F=3[N]+1,5[N]

F= 4,5[N]

d= distancia perpendicular a la fuerza

d = 35[mm]=0,035[m]

Entonces

][035,0][5,4 mNM ×=

M = 0,157[Nm]

Luego el momento que debe soportar la compuerta es de 0,157[Nm] y el máximo

que se puede aplicar es de 61,06 [Nm], lo que implica que la compuerta es

adecuada y no es necesario redimensionarla.

138

7. CONCLUSIONES

• Con objeto de desarrollar el problema de manera satisfactoria, se recurrió al

sistema metodológico de caja negra ampliamente utilizado en el desarrollo de

sistemas, definiendo las entradas y salidas del sistema para cada situación (caja),

las cuales a su vez generan problemas mas específicos y por ende de mas fácil

solución; es decir se pensó en lo que se tiene(entradas del sistema) y lo que se

desea obtener a partir de ellas (Salidas del sistema), desarrollando la aplicación

partiendo de lo general a lo particular.

• Para el sistema de medición que se ha diseñado es posible encontrar gran

variedad de sensores con los cuales se pueden adquirir los diferentes parámetros,

para ello se ha dispuesto o seleccionado tres sensores considerados los más

relevantes para la medición, un sensor de presión con aplicación en altímetros, un

giróscopo para la inclinación del vehículo y un acelerómetro de tres ejes, y a partir

de ellos obtener el comportamiento del vehículo durante el vuelo; un sensor de

vital importancia para la protección del sistema es el sensor de altura, ya que de

éste depende la orden de accionamiento del sistema de amortiguamiento para el

descenso; es importante destacar que los ejes de medición de los sensores de

inclinación y aceleración se encuentran con referencia en el vehículo.

• Al iniciar el proyecto surgió como inconveniente no adquirir los sensores, pues

esto propiciaba el no poder realizar pruebas y calibración real de los sensores

seleccionados; éste problema logró transformase en una ventaja puesto que

proporcionó una gran solución al visualizarlo como una posibilidad de dar

flexibilidad y orientar el diseño al requerimiento del usuario, adaptando el sistema

a cualquier sensor lineal respecto a las variables medidas.

139

• Debido a que se requiere realizar la medición de una gran cantidad de datos

para así proporcionar la mejor y más completa información del vuelo, el sistema

exige de una gran memoria para hacer el almacenaje de las variables; ya que la

memoria interna del microcontrolador no es suficiente y para no saturar el

dispositivo, es posible realizar la ampliación de memoria de datos almacenados

utilizando dispositivos externos, para este caso se manejaron memorias de tipo

serial EEPROM ya que con estas se consigue maximizar el recurso disminuyendo

la cantidad de hilos de comunicación y no presentan problemas con la velocidad

de almacenaje.

• Cuando se utilizan microcontroladores se dispone de herramientas de

visualización como las pantallas LCD ideales para identificar el estado de la

aplicación, debido a que los sistemas de adquisición de datos deben contar con

indicadores que proporcionen la mayor información para hacerlos mas amigables

al usuario.

• Uno de los puertos más utilizados para realizar la comunicación con el

computador es el puerto serial, valiéndose de la interfaz RS232 se puede realizar

la comunicación mediante este puerto, además la mayoría de los software tienen

módulos de comunicación de este tipo, por lo tanto el dispositivo maestro debe

tener modos de comunicación serial, en la tarjeta se la comunicación serial

asíncrona que maneja el MCU.

• Para alargar el funcionamiento del sistema es esencial que se desacoplen las

salidas, debido a que las cargas son de tipo inductivo y pueden ocasionar fallas en

el resto del sistema, además dichas salidas manejan niveles superiores de voltaje;

los sistemas optoacoplados se ven como la mejor solución para aislarlas y no

presentan rebote como lo es el caso del desacople mediante contactores. Es

posible utilizar salidas optoacopladas y adaptarlas a diversos sistemas de

actuación ofreciendo versatilidad como lo es el diseño planteado que cuenta con

140

cuatro salidas para actuación, dos de tipo resistivo y las otras de tipo inductivo

según lo desee o requiera el usuario.

• El uso de programas especializados en la programación tanto de los

microcontroladores como el diseño de Software para visualización se puede

simplificar utilizando software de ambiente grafico, mediante los cuales es simple

detectar y corregir fallas de programación que de otro modo serian tediosas,

especialmente si los programas son extensos y requieren muchas líneas de

programación en lenguaje de máquina. El software con el cual se diseño la

programación del microcontrolador es específico para motorola, es muy versátil

debido a la cantidad de instrucciones que manejan los microcontroladores de esta

casa matriz, su principal ventaja es aplicada al diseño de máquinas de estado, el

cual es un método aplicable al desarrollo de la tarjeta de adquisición de datos.

• El desarrollo del software de visualización mediante Labview, permitió una gran

versatilidad en el programa, gracias al ambiente gráfico empleado y su opción o

posibilidad de crear subprogramas manejados mediante el sistema de caja negra,

que fueron llamados cuando lo requería el proceso, además facilitó el ingreso de

los parámetros para los sensores utilizados, permitiendo la flexibilidad y cobertura

del sistema.

• Es importante la creación de reportes para el posterior análisis del

comportamiento del vehículo por parte del usuario, para el sistema de adquisición

y medición se han creado con extensión .xls, ya que es una hoja de cálculo que

facilita la creación de fórmulas; para este caso se desarrolló una macro que

contiene las variables almacenadas por los sensores y parámetros obtenidos a

partir de ellas, permitiendo un fácil procesamiento y obtención de datos

adicionales que son graficados para una mejor visualización y análisis del vuelo,

dejando abierta la posibilidad de implementarla con los datos que se requieran.

141

• En la adquisición de datos para aeromodelos, especialmente para cohetes

amateur, es importante que se reconozca que tan eficiente es el propelente o

combustible que se esta utilizando, esto se puede realizar conociendo la cantidad

de propelente utilizado y el empuje suministrado al vehículo; en el sistema de

medición desarrollado es posible establecer la eficiencia del propelente gracias a

que se presenta la aceleración del vehículo en un tiempo determinado, y por parte

del usuario se conoce la cantidad de propelente utilizado y la masa del vehículo

que se pondrá en vuelo; es decir debido a una observación simple de la

aceleración del aeromodelo se determina el tiempo en el cual se comienza a

desacelerar y finaliza el vuelo potenciado o se inicia el vuelo inercial, obteniendo

además la aceleración en dicho punto del vehículo.

• Con el fin de minimizar el impacto para el descenso del aeromodelo y por ende

conseguir que los elementos de medición y la tarjeta en general no se averíen se

puede utilizar como mecanismo de descenso el paracaídas, para su

accionamiento lo mejor es activar un actuador de simple efecto de tipo eléctrico

que deshabilite un cierre, debido a que estos no requieren fuentes de alimentación

muy grandes y además se pueden activar haciendo uso únicamente de una salida

del microcontrolador.

• Se deja abierta la posibilidad para estudios futuros de adaptar un sistema de

aletas tipo spoiler para frenar el vehículo y asegurar un descenso más seguro,

utilizando un paracaídas más pequeño y de menos resistencia a la velocidad de

apertura, mediante el uso de las salidas optoacopladas del sistema diseñado.

• Con el sistema medición de variables para el desarrollo de un vehículo cohete

no tripulado, se deja un gran aporte para la continuación y mejora de los estudios

sobre propelentes, y además sirve como base para desarrollar la fase posterior a

la medición que es el sistema de control del vuelo.

142

• De acuerdo a lo realizado durante el desarrollo de esta investigación, se

concluye que los objetivos planteados fueron culminados en su totalidad y

satisfactoriamente, ya que se logró desarrollar un sistema de medición de

variables para un vehículo cohete no tripulado, que permita un análisis posterior

por parte del usuario de los datos obtenidos y una visualización del

comportamiento del vehículo durante el vuelo.

• Mediante el desarrollo y culminación de esta investigación se puede apreciar la

versatilidad del ingeniero mecatrónico bonaventuriano para la creación de

sistemas en la industria, mediante la implementación de sistemas electrónicos,

mecánicos y de programación acoplados para un mismo fín.

143

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146

ANEXOS

ANEXO 1

MANUAL VUELO C2–001

MANUAL VUELO C2–001

Ι. INTRODUCCIÓN Recomendaciones importantes

Para conectar La C2-001 a una computadora

Requisitos del sistema

Información de seguridad

ΙΙ. ESPECIFICACIONES DEL HARDWARE 1. Características Técnicas de la tarjeta

2. Mandos

3. Visualización e indicadores

4. Reemplazo de elementos

5. Salidas del sistema

ΙΙΙ. ESPECIFICACIONES DEL SOFTWARE 1. Almacenamiento Carpeta Vuelo C2-001

2. Inicio de la adquisición

3. Visualización

4. Generación de reporte

5. Manejo de la Macro en excel

Ι. INTRODUCCIÓN

En algunas circunstancias, como por ejemplo exposición a descargas

electrostáticas, los datos pueden perderse o alterarse, Por tanto se rechaza toda

responsabilidad por los datos perdidos o que por algún motivo dejen de estar

disponibles, ya sea por uso, reparación no adecuada o por una sustitución

inadecuada de las baterías.

• Recomendación Importante:

“VUELO C2-001” es el software suministrado con esta unidad, permite la

sincronización de la información de en la “C2-001” para adquirir los datos de la

manera mas eficaz.

Asegúrese de conectar el puerto COM1 a la tarjeta de adquisición de datos antes

de ordenar hacer la adquisición de cualquier tipo de dato almacenado en la tarjeta,

si el puerto no se encuentra conectado el software mostrara un error en la

comunicación.

No cierre súbitamente ningún Panel generado por el software VUELO C2-001,

utilice las salidas suministradas por el software para hacerlo, ya que esto genera

un error en el software que solo se recupera volviendo a correr la aplicación.

Al terminar la prueba deshabilite el mando de “adquirir datos”, debido a que si la

tarjeta es reiniciada, el microcontrolador permitirá nuevamente almacenar datos.

• Para conectar la “C2-001”a un PC

No requiere reiniciar el PC, La “C2-001” requiere un puerto serie dedicado, no

puede compartir el puerto con ningun otro dispositivo.

• Requisitos del sistema

LabView V 7.1 Académica

• Información de seguridad

Proteja la “C2-001”de la humedad, como lo hace con otros dispositivos

electronicos.

Aleje la “C2-001” lo mas que pueda del motor del aeromodelo para protejerla

contra temperaturas excesivas que puedan quemar el impreso.

Haga uso de las alertas que proporciona el sistema u otros dispositivos para

reducir el impacto del aeromodelo y evitar daños en “C2-001” y otros sistemas de

control que tenga.

ΙΙ. ESPECIFICACIONES DEL HARDWARE

1. Características Técnicas de la tarjeta

Característica Parámetro

máximo

Parámetro

mínimo Unidades

Tensión de alimentación de la

tarjeta

6 5 Voltios

1/10 - - - Segundos Velocidad de adquisición

10 Hz

1/100 Bajo pedido Bajo Pedido Segundos Otra velocidad

100 bajo pedido Bajo pedido Segundos

V en los canales análogos 12 0 Voltios

5 - - - - - - Canales análogos

7 bajo pedidito - - - - - -

Resolución de cada canal 255 - - - Bits

Memoria x canal 32 KByte

Visualizadores - - - LCD 2x16 & LED Caracteres

Reset Manual Si - - -

Tipo de comunicación - - - Asíncrona RS232 - - -

Tipo de conector - - - Conector DB9 - - -

Cantidad de Salidas 2 x 2 - - - - - -

Alerta Carga resistiva Voltaje 300 - - - Vdc o Vac

Alerta carga resistiva Corriente 4 - - - Amperios

Alerta carga inductiva Voltaje 24 - - - Vdc

Alerta carga inductiva Corriente 4 - - - Amperios

Nota

La tarjeta de adquisición de datos C2-001 esta equipada con 2 alertas de salida,

cada una de ellas se puede utilizar en dos modos distintos dependiendo el tipo de

dispositivo que se utilice en como salida. (ver ampliación Salidas del sistema).

2. Mandos

La tarjeta de adquisición de datos “C2-001” posee únicamente dos mandos o

controles; esta característica hace que sea muy simple el hecho de realizar el

proceso de adquisición de datos. Además cuenta con un pulsador para reiniciar la

tarjeta en caso que se necesite.

Cuando utilizar los mandos:

Primer Mando (Adquirir Datos)

Este mando se debe accionar cuando se quiere hacer la adquisición de los datos,

es decir antes de poner en marcha el aeromodelo. Hay que tener en cuenta que

los sensores ya deben estar en posición y conectados a la “C2-001” para evitar

que el sistema detecte un lanzamiento en falso

Segundo Mando (Leer datos)

Este mando se debe accionar cuando se quiera adquirir los datos que se

encuentran almacenados en la memoria una vez terminado el vuelo, al utilizar el

software “VUELO C2-001” el usuario define que dato quiere recibir.

3. Visualización e indicadores

La “C2-001” es una tarjeta da adquisición de datos muy versátil en la cual el

usuario siempre sabe en que parte del proceso se encuentra la tarjeta, esto es

debido a su excelente visualización por display y manejo de plantillas que alienta

al usuario a verificar la información y detectar errores muy fácilmente.

3.1 Formatos de Visualización

Primer Formato “Seleccione Proceso” cuando se visualiza este formato indica que

no se ha seleccionado aún un proceso o que el proceso en el que se encuentra no

es valido debido a que se han adquirido los datos de vuelo a la tarjeta pero no se

han trasladado al PC. El microcontrolador se encuentra en Stand bye, se bede

tener cuidado de no reiniciar la tarjeta sin haber deshabilitado el mando de toma

de datos, para evitar la sobreescritura de los datos.

Segundo Formato “Referencias h(# # #) i(# # #) ac(# # #)” cuando se visualiza este

formato el programa se encuentra tomando las referencias o valores iniciales de

los sensores, demora 3 segundos en salir de este estado, es posible cancelar esta

operación deshabilitando la entrada toma de datos.

Tercer Formato “Monitoreo href(# # #) h(# # #)” cuando se visualiza este formato el

programa entra a un estado donde define cuando hay un cambio de la altura del

aeromodelo, se puede cancelar este estado deshabilitando la entrada adquirir

datos.

Cuarto Formato “Capturando Datos” este formato se visualiza mientras el

aeromodelo esta adquiriendo los datos. Se puede cancelar el proceso de

grabación deshabilitando la entrada de toma de datos.

Quinto Formato “Esperando Comunicación” Este formato se visualiza cuando se

habilita la entrada Enviar datos y mediante el software “VUELO C2-001” se indica

al programa la naturaleza de los datos a enviar.

4. Reemplazo de Elementos.

Para el sistema es posible utilizar otro tipo de sensores que se acomoden a las

características, teniendo precaución en su adaptación, al igual es posible sustituir

los accesorios de frenado y dispositivos de actuación, de tal manera que se

ajusten al aeromodelo.

5. Salidas del sistema

El sistema “C2-001” cuenta en realidad con 4 salidas, y dos tiempos de activación;

el primer tiempo corresponde a el 25% del rango máximo de altura, en él se

encienden las salidas Primera y Tercera; el segundo tiempo de activación de

salidas esta gobernado por un temporizador de 15 Seg a partir de las activación

de la primera salida, en éste segundo tiempo de activación se encienden las

salidas Segunda y cuarta,

Primera Salida

Diseñada para cargas resistivas de alta potencias AC o DC, maneja como

corriente maxima 4Amp a 300 V con un factor de seguridad de 2,

Segunda Salida

Diseñada Para cargas inductiva o resistivas de DC para manejar valores

hasta de 4Amp a 25V es crea especialmente para polarizar solenoides. Y

motores

Tercera Salida

Diseñada para cargas resistivas de alta potencias AC o DC, maneja como

corriente maxima 4Amp a 300 V con un factor de seguridad de 2,

Cuarta Salida

Diseñada Para cargas inductiva o resistivas de DC para manejar valores hasta de

4Amp a 25V es crea especialmente para polarizar solenoides. Y motores .

ΙΙΙ. ESPECIFICACIONES DEL SOFTWARE 1. Almacenamiento Carpeta VUELO C2-001

Antes de iniciar la adquisición de datos, es necesario guardar la carpeta que

contiene los repotes y la macro en Excel de la siguiente manera:

Copie la carpeta “VUELO C2-001” en “C:\”, para generar la dirección” C:\Vuelo C2-001” que es utilizada en el software creado en Labview para el

almacenamiento de los datos adquiridos. Si esta carpeta no es guardada en esta

dirección el programa generará un error y no almacenara los datos.

2. Inicio de la adquisición

Corriendo el programa de adquisición VUELO C2-001 y aparece la pantalla

principal para el inicio de la adquisición y procesamiento de datos.

A. Botón de Inicio: Cumple la función de activar el software para el inicio de la

adquisición, visualización y almacenamiento de los datos, cuando esto haya

terminado tendrá que oprimirse nuevamente para apagar el software y proseguir a

la salida.

B. Altura: Este botón llama el panel de parámetros del sensor de altura, donde se

registran los rangos máximo y mínimo de medida y los valores de voltaje de salida

correspondientes, igualmente habrá que registrar el valor de la ganancia del filtro

utilizado (este panel no debe ser serrado súbitamente, si por error es ejecutado se

recomienda en el panel posterior terminar la adquisición y no guardar el reporte).

Posteriormente se presenta el panel de visualización donde se aprecian los datos

adquiridos y su gráfica contra el tiempo.

C. Inclinación: Llama el panel de parámetros del sensor de inclinación (este panel

no debe ser cerrado súbitamente, si por error es ejecutado se recomienda en el

panel posterior terminar la adquisición y no guardar el reporte) y posteriormente la

pantalla de visualización de los datos.

D. Botones de Aceleración ejes X-Y-Z: Llama el panel de parámetros del sensor

de aceleración (este panel no debe ser serrado súbitamente, si por error es

ejecutado se recomienda en el panel posterior terminar la adquisición y no guardar

el reporte) y posteriormente la pantalla de visualización de los datos.

E. SALIR: botón que da fin a la adquisición y procesamiento de datos después de

apagado el programa.

3. Visualización

En esta pantalla se aprecian los datos adquiridos por el sensor durante el vuelo

mediante una gráfica y la tabla de almacenamiento con respecto al tiempo,

igualmente posee un indicador “CARGANDO DATOS” que representa el

porcentaje de datos almacenados.

Posee un Botón de “TERMINAR” para interrumpir la adquisición de los datos en el

momento que lo desee el usuario, de lo contrario el programa almacenará todos

los datos contenidos en la memoria.

4. Generación de reporte

Se crea un reporte en Excel en la dirección “C:\Vuelo C2-001” de cada una de las

variables obtenidas que deberán ser guardadas en el archivo con el nombre

predeterminado (ALTURA, INCLINACION, ACELERACIÓN EJE X,

ACELERACIÓN EJE Y y ACELERACIÓN EJE Z) de acuerdo a la naturaleza de la

variable, siempre se preguntará al usuario si desea reemplazar el archivo

existente, a esto deberá responderse que SI, en caso contrario no se podrá

ejecutar la macro de Excel “VUELO C2-001” y los datos presentados por ésta no

corresponderán.

5. Manejo de la Macro en excel

La carpeta almacenada en C, que corresponde a la dirección “C:\Vuelo C2-001”

contiene los archivos o reportes generados durante la adquisición de los datos,

ésta carpeta tiene que deberá ser almacenada o copiada en C:\ antes del inicio del

software, para ejecutar la macro de Excel “VUELO C2-001”, se debe primero abrir

cada uno de los reportes generados por el software y proseguir a abrir la macro

donde aparecerán los siguientes avisos:

- Las macros se han deshabilitado por el nivel de seguridad: A éste anuncio se

deberá dar ACEPTAR.

- Actualice los datos.

A continuación se podrán apreciar los parámetros del vuelo, tanto los datos

obtenidos como los procesados, cada uno con su gráfica correspondiente. Listos

para que el usuario analice su modelo y eficiencia del vuelo.

ANEXO 2

ESQUEMA DE LA TARJETA VUELO C2–001

ESQUEMA DE LA TARJETA VUELO C2–001

Ι. LISTA DE COMPONENTES

ΙΙ. DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE LA TARJETA

ΙΙΙ. DISPOSICIÓN DE LOS ELEMENTOS EN EL IMPRESO Y

CONEXIONES

Ι. LISTA DE COMPONENTES

Nº Referencia Cantidad Nota

1 MC68HC908GP32CP 1 Microcontrolador Motorola

2 10 KΩ ¼ Wtt 1 Resistencia

3 LCD 16 x 2 1 Pantalla de cristal 32 caracteres

4 Regleta 14 pines 1 Regleta para la LCD

5 Regleta 7 pines 1 Regleta para conexión de Entradas

6 Conector Alimentación 1

Gen

eral

7 CL 16.000000 MHz 1 Oscilador de Cristal 16 MHz

8 Condensador 47 pf 2 Condensador

9 1 MΩ ¼ Wtt 1 Resistencia

10 1µf 12 V 1 Condensador

11 Pulsador NO 1 Pulsador Normalmente Abierto Osc

ilado

r y R

eset

12 24LC256 5 Memoria EEPROM 32K I2C

13 4,7 KΩ ¼ Wtt 2 Resistencia de Pullup Alm

ac

14 3 MΩ ¼ Wt 3 Resistencia

15 100µf 12 V 1 Condensador

16 1N4148 1 Diodo Rectificador

17 2N222 1 Transistor Com

unic

ació

n

18 2N3906 1 Transistor

19 Jumper 3 entradas 1 Racor

20 DB9 1 Conector serial de 9 pines

21 120 Ω ¼ Wt 4 Resistencia

22 LED 4 Diodo Emisor de luz

23 MOC3020 2 Opto Triack

24 ECG3096 2 Opto transistor

25 BTB06-600A 2 Triack

26 TIP 112 2 Transistor darlington

27 180 Ω ½ Wtt 2 Resistencia

28 2,2 KΩ ½ Wtt 2 Resistencia

29 1 KΩ ½ Wtt 4 Resistencia

30 100 Ω ½ Wtt 2 Resistencia

31 3 KΩ ½ Wtt 2 Resistencia

32 Borneras Dobles 8 Borneras Dobles

Salid

as O

ptoc

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das

y Po

tenc

ia

ΙΙ. DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE LA TARJETA

ΙΙΙ. DISPOSICIÓN DE LOS ELEMENTOS EN EL IMPRESO Y

CONEXIONES

ANEXO 3

SENSOR DE ALTURA MPX4115A

1Motorola Sensor Device Data

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Motorola’s MPX4115A/MPXA4115A series sensor integrates on–chip, bipolar op ampcircuitry and thin film resistor networks to provide a high output signal and temperaturecompensation. The small form factor and high reliability of on–chip integration make theMotorola pressure sensor a logical and economical choice for the system designer.

The MPX4115A/MPXA4115A series piezoresistive transducer is a state–of–the–art,monolithic, signal conditioned, silicon pressure sensor. This sensor combines advancedmicromachining techniques, thin film metallization, and bipolar semiconductor processing toprovide an accurate, high level analog output signal that is proportional to applied pressure.

Figure 1 shows a block diagram of the internal circuitry integrated on a pressuresensor chip.

Features

• 1.5% Maximum Error over 0° to 85°C• Ideally suited for Microprocessor or Microcontroller–

Based Systems

• Temperature Compensated from –40° to +125°C• Durable Epoxy Unibody Element or Thermoplastic

(PPS) Surface Mount Package

Application Examples

• Aviation Altimeters

• Industrial Controls

• Engine Control

• Weather Stations and Weather Reporting Devices

Figure 1. Fully Integrated Pressure SensorSchematic

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Order this documentby MPX4115A/D

SEMICONDUCTOR TECHNICAL DATA

Motorola, Inc. 2001

INTEGRATEDPRESSURE SENSOR

15 to 115 kPa (2.2 to 16.7 psi)0.2 to 4.8 Volts Output

PIN NUMBER

NOTE: Pins 4, 5, and 6 are internaldevice connections. Do not connectto external circuitry or ground. Pin 1is noted by the notch in the lead.

MPX4115ACASE 867

MPX4115APCASE 867B

1

2

3

Vout

Gnd

VS

4

5

6

N/C

N/C

N/C

UNIBODY PACKAGE

PIN NUMBER

NOTE: Pins 1, 5, 6, 7, and 8 areinternal device connections. Do notconnect to external circuitry orground. Pin 1 is noted by the notch inthe lead.

1

2

3

N/C

VS

Gnd

5

6

7

N/C

N/C

N/C

MPXA4115A6UCASE 482

MPXA4115AC6UCASE 482A

4 Vout 8 N/C

SMALL OUTLINE PACKAGE

MPX4115ASCASE 867E

REV 4

2 Motorola Sensor Device Data

MAXIMUM RATINGS(NOTE)

Parametrics Symbol Value Units

Maximum Pressure (P1 P2) Pmax 400 kPa

Storage Temperature Tstg –40° to +125° °C

Operating Temperature TA –40° to +125° °C

NOTE: Exposure beyond the specified limits may cause permanent damage or degradation to the device.

OPERATING CHARACTERISTICS (VS = 5.1 Vdc, TA = 25°C unless otherwise noted, P1 P2. Decoupling circuit shown in Figure 3required to meet Electrical Specifications.)

Characteristic Symbol Min Typ Max Unit

Pressure Range POP 15 — 115 kPa

Supply Voltage(1) VS 4.85 5.1 5.35 Vdc

Supply Current Io — 7.0 10 mAdc

Minimum Pressure Offset(2) (0 to 85°C)@ VS = 5.1 Volts

Voff 0.135 0.204 0.273 Vdc

Full Scale Output(3) (0 to 85°C)@ VS = 5.1 Volts

VFSO 4.725 4.794 4.863 Vdc

Full Scale Span(4) (0 to 85°C)@ VS = 5.1 Volts

VFSS 4.521 4.590 4.659 Vdc

Accuracy(5) (0 to 85°C) — — — ±1.5 %VFSS

Sensitivity V/P — 45.9 — mV/kPa

Response Time(6) tR — 1.0 — ms

Output Source Current at Full Scale Output Io+ — 0.1 — mAdc

Warm–Up Time(7) — — 20 — ms

Offset Stability(8) — — ±0.5 — %VFSS

NOTES:1. Device is ratiometric within this specified excitation range.2. Offset (Voff) is defined as the output voltage at the minimum rated pressure.3. Full Scale Output (VFSO) is defined as the output voltage at the maximum or full rated pressure.4. Full Scale Span (VFSS) is defined as the algebraic difference between the output voltage at full rated pressure and the output voltage at the

minimum rated pressure.5. Accuracy is the deviation in actual output from nominal output over the entire pressure range and temperature range as a percent of span

at 25°C due to all sources of error including the following:• Linearity: Output deviation from a straight line relationship with pressure over the specified pressure range.• Temperature Hysteresis: Output deviation at any temperature within the operating temperature range, after the temperature is

cycled to and from the minimum or maximum operating temperature points, with zero differentialpressure applied.

• Pressure Hysteresis: Output deviation at any pressure within the specified range, when this pressure is cycled to and from minimum or maximum rated pressure at 25°C.

• TcSpan: Output deviation over the temperature range of 0° to 85°C, relative to 25°C.• TcOffset: Output deviation with minimum pressure applied, over the temperature range of 0° to 85°C, relative

to 25°C.6. Response Time is defined as the time for the incremental change in the output to go from 10% to 90% of its final value when subjected to

a specified step change in pressure.7. Warm–up Time is defined as the time required for the product to meet the specified output voltage after the pressure has been stabilized.8. Offset Stability is the product’s output deviation when subjected to 1000 cycles of Pulsed Pressure, Temperature Cycling with Bias Test.

MECHANICAL CHARACTERISTICS

Characteristics Typ Unit

Weight, Basic Element (Case 867) 4.0 grams

Weight, Small Outline Package (Case 482) 1.5 grams


Figure 2. Cross Sectional Diagram SOP(not to scale)

Figure 3. Recommended power supply decouplingand output filtering.

For additional output filtering, please refer toApplication Note AN1646.

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Figure 2 illustrates the absolute sensing chip in the basicchip carrier (Case 482).

Figure 3 shows the recommended decoupling circuit forinterfacing the output of the integrated sensor to the A/D in-put of a microprocessor or microcontroller. Proper decoup-ling of the power supply is recommended.

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Figure 4. Output versus Absolute Pressure

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(!$ =9 °

Figure 4 shows the sensor output signal relative to pres-sure input. Typical minimum and maximum output curvesare shown for operation over 0 to 85°C temperature range.The output will saturate outside of the rated pressure range.

A fluorosilicone gel isolates the die surface and wirebonds from the environment, while allowing the pressuresignal to be transmitted to the silicon diaphragm. The

MPX4115A/MPXA4115A series pressure sensor operatingcharacteristics, internal reliability and qualification tests arebased on use of dry air as the pressure media. Media otherthan dry air may have adverse effects on sensor perfor-mance and long–term reliability. Contact the factory forinformation regarding media compatibility in your application.


Transfer Function (MPX4115A, MPXA4115A)

Nominal Transfer Value: Vout = VS x (0.009 x P – 0.095)± (Pressure Error x Temp. Factor x 0.009 x VS)VS = 5.1 ± 0.25 Vdc

Temperature Error BandMPX4115A, MPXA4115A Series

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(17:1;.=>;1 48 °

(17:1;.=>;1

;;9;

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NOTE: The Temperature Multiplier is a linear response from 0°C to –40°C and from 85°C to 125°C

Pressure Error Band

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A

A

$;1<<>;1 48 5$.

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=9 5$. ±A 5$.

ORDERING INFORMATION — UNIBODY PACKAGE

Device Type Options Case No. MPX Series Order No. Marking

Basic Element Absolute, Element Only 867 MPX4115A MPX4115A

Ported Elements Absolute, Ported 867B MPX4115AP MPX4115AP

Absolute, Stove Pipe Port 867E MPX4115AS MPX4115A

ORDERING INFORMATION — SMALL OUTLINE PACKAGE

Device Type Options Case No. MPX Series Order No. Packing Options Marking

Basic Element Absolute, Element Only 482 MPXA4115A6U Rails MPXA4115A

Absolute, Element Only 482 MPXA4115A6T1 Tape and Reel MPXA4115A

Ported Element Absolute, Axial Port 482A MPXA4115AC6U Rails MPXA4115A

Absolute, Axial Port 482A MPXA4115AC6T1 Tape and Reel MPXA4115A


INFORMATION FOR USING THE SMALL OUTLINE PACKAGE (CASE 482)

MINIMUM RECOMMENDED FOOTPRINT FOR SURFACE MOUNTED APPLICATIONS

Surface mount board layout is a critical portion of the totaldesign. The footprint for the surface mount packages mustbe the correct size to ensure proper solder connection inter-face between the board and the package. With the correct

fottprint, the packages will self–align when subjected to asolder reflow process. It is always recommended to designboards with a solder mask layer to avoid bridging and short-ing between solder pads.

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(-$,

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Figure 5. SOP Footprint (Case 482)

48/3

77 '


SMALL OUTLINE PACKAGE DIMENSIONS

CASE 482–01ISSUE O

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CASE 482A–01ISSUE A

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UNIBODY PACKAGE DIMENSIONS

BASIC ELEMENT

CASE 867–08ISSUE N

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PIN 1

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POSITIVE PRESSURE(P1)

PRESSURE SIDE PORTED (AP, GP)

CASE 867B–04FISSUE F

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PIN 1

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Q

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UNIBODY PACKAGE DIMENSIONS—CONTINUED

PRESSURE SIDE PORTED (AS, GS)

CASE 867E–03ISSUE D

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A

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PORT #1POSITIVE

PRESSURE

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PIN 1

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V

(P1)


Motorola reserves the right to make changes without further notice to any products herein. Motorola makes no warranty, representation orguarantee regarding the suitability of its products for any particular purpose, nor does Motorola assume any liability arising out of theapplication or use of any product or circuit, and specifically disclaims any and all liability, including without limitation consequential or incidentaldamages. “Typical” parameters which may be provided in Motorola data sheets and/or specifications can and do vary in different applicationsand actual performance may vary over time. All operating parameters, including “Typicals” must be validated for each customer applicationby customer’s technical experts. Motorola does not convey any license under its patent rights nor the rights of others. Motorola products arenot designed, intended, or authorized for use as components in systems intended for surgical implant into the body, or other applicationsintended to support or sustain life, or for any other application in which the failure of the Motorola product could create a situation wherepersonal injury or death may occur. Should Buyer purchase or use Motorola products for any such unintended or unauthorized application,Buyer shall indemnify and hold Motorola and its officers, employees, subsidiaries, affiliates, and distributors harmless against all claims, costs,damages, and expenses, and reasonable attorney fees arising out of, directly or indirectly, any claim of personal injury or death associatedwith such unintended or unauthorized use, even if such claim alleges that Motorola was negligent regarding the design or manufacture of thepart. Motorola and are registered trademarks of Motorola, Inc. Motorola, Inc. is an Equal Opportunity/Affirmative Action Employer.

How to reach us:USA/EUROPE/Locations Not Listed : Motorola Literature Distribution; JAPAN : Motorola Japan Ltd.; SPS, Technical Information Center, 3–20–1,P.O. Box 5405, Denver, Colorado 80217. 1–303–675–2140 or 1–800–441–2447 Minami–Azabu. Minato–ku, Tokyo 106–8573 Japan. 81–3–3440–3569

Technical Information Center: 1–800–521–6274 ASIA/PACIFIC : Motorola Semiconductors H.K. Ltd.; Silicon Harbour Centre,2, Dai King Street, Tai Po Industrial Estate, Tai Po, N.T., Hong Kong. 852–26668334

HOME PAGE: http://www.motorola.com/semiconductors/

MPX4115A/D◊

ANEXO 4

SENSOR DE INCLINACION CRS03-04

SST-0016 (1/4)

TITLE

PRODUCT SPECIFICATION FOR SINGLE AXIS

SILICON VIBRATING STRUCTURE GYRO CRS03-04

DOC. NUMBER

SST – 0016

REV.

A

A SCN-0150 P1,2,3,4 01.02.05

REV. MODIFY No. REVISED PAGES DATE CHECKED

DATE APPROVED CHECKED PREPAREDSilicon Sensing Systems Japan Ltd.1-10 Fuso-cho, Amagasaki, Hyogo 660-0891 JapanTel +81-6-6489-5868 Fax +81-6-6489-5910 2000.12.28

NOTICE

Applications that require extra reliability and quality possiblyaffecting the safety of living things (e.g. transport, combustion,security, etc.) or any applications which are thought to be beyondthe focus of the product, should be consulted with SSS first.

Reproduction in any form prohibited.

SST-0016 (2/4)

1. DESCRIPTION

The silicon vibrating structure gyroscope (SiVSG®) is a solid state single axis rate sensor. It is a stand alone unitand dc output is proportional to the rate of rotation and supply voltage.The new concept ring-shaped micro-machined resonator shows distinguished resistance against externalshock and vibration over a wide range of temperature.

2. MODEL NUMBER

CRS03 – 04 Connector output range 200deg/sec

CRS03 Basic Model Number–xx Design Number

3. MECHANICAL DESCRIPTION

The nominal dimensions are shown in Fig.1.

4. PERFORMANCE

Parameter Min Typ Max Unit Notes

Supply voltage 0.00 5.00 6.00 VAbsolute Maximum Rating

Storage temperature - 40 85 deg C

Supply voltage 4.75 5.00 5.25 V

Power supply noise 15.00 mVrms 0.5 to 100Hz

Temperature - 40 23 85 deg C

Operating conditions

Humidity 5 95 %RH Non-condensing

The following specifications apply for Vdd=5.00V and Temp=23deg C unless otherwise specified.

Parameter Limit Unit Notes

Rate range +/- 200 deg/sec Reference

Rate range +/- 3.491 rad/sec

Scale Factor 10 mV/(deg/sec) typ. Reference

Scale Factor 11.46 % of Vdd/(rad/sec) typ.

Initial Scale Factor accuracy +/- 1 % typ.

Initial Scale Factor accuracy +/- 3 %

Scale Factor variation with temp. +/- 3 % typ. Op temp range

Scale Factor variation with temp. +/- 5 % Op temp range

Scale Factor ratiometric error +/- 1 % Op voltage range

Bias 50 % typ. of Vdd

Bias initial error +/- 60 mV

Bias variation with temp +/- 60 mV Op temp range

Bias ratiometric error +/- 20 mV Op voltage range

Non linearity < 0.5 % of FS typ.

Non linearity < 3 % of FS

Quiescent noise < 1 mVrms typ. (3 10Hz)

Bandwidth > 10 Hz Gain- 3dB

Cross axis sensitivity < 5 %

Power up time < 0.5 sec From Vdd = 4.50V

Current dissipation < 50 mA

Output Impedance 100 typ.

Available output current > 0.5 mA

SST-0016 (3/4)

5. TYPICAL RATE OUTPUT

××+×=52

1 VddSFRaVddVo (Unit:Volt typ.)

where: Vo: Rateout (V), Vdd: Supply voltage (V), Ra: Applied rate (deg/s), SF: Scale Factor (V/ (deg/s))

6. RATIOMETRIC ERROR

6.1 Bias ratiometric errorBias ratiometric error are calculated as follows;

×−=5

Vb5

VddVbErrb (V)

whereErrb: Bias ratiometric error (V), Vb: Bias at Vdd (V), Vb5: Bias at 5.00V (V),Vdd: Supply voltage (V)

6.2 Scale Factor ratiometric errorScale Factor ratiometric error are calculated as follows;

SF

VddSFSFErrs

100

55 ×

×−= (%)

where,Errs: Scale Factor ratiometric error (%), SF: Scale Factor at Vdd (V/ (deg/s))SF5: Scale Factor at 5.00V (V/ (deg/s)), Vdd: Supply voltage (V)

7. SOLDERING

The product may not be subjected to beyond the maximum storage temperature (e.g. solder reflow chamber)at any time. Hand soldering is recommended.

SST-0016 (4/4)

Fig.1 CRS03-04

ANEXO 5

SENSOR DE ACELERACIÓN CXL10LP3

accelerom

eters

12c r o s s b o w t e c h n o l o g y, i n c 4 1 4 5 n . f i r s t s t r e e t s a n j o s e , c a 9 5 1 3 4 - 2 1 0 9

GENERAL PURPOSE ACCELEROMETER

CXL-LP Series High Performance, 1-Axis and

3-Axis Accelerometers

Small, Low-Cost

Reliable Packaging withScrew-Down Mounting

Factory Calibrated

Applications

Automotive Testing

Instrumentation

Equipment Monitoring

LP Series

The LP Series accelerometers arelow cost, general purpose, linearacceleration and/or vibration sen-sors available in ranges of ±4g,±10g, and ±25g.

Common applications are auto-motive testing, instrumentation,and equipment monitoring. TheLP Series sensing element is asilicon micro-machined capacitivebeam. The capacitive beam isheld in force balance for fullscale non-linearity of less than0.2%.

The LP Series offers wide dy-namic range, has excellent fre-quency response, operates on asingle +5 VDC power supply, andis easy to interface to standarddata acquisition systems. Thescale factor and the 0 g outputlevel are both ratiometric to thepower supply hence the acceler-ometer and any following

circuitry will track each other ifthe supply voltage varies. Alter-natively, by specifying the -Roption, an unregulated 8-30 Vpower supply can be used.

The LP Series sensors provide adirect high-level analog voltageoutput. The output requires noexternal signal conditioning ele-ctronics and may be directlyinterfaced to an A/D or otherdata acquisition hardware.

Compared to traditional piezo-electric and piezoresistive acc-elerometer technologies, thesilicon micro-machined sensorsoffer equivalent performance ata significantly lower cost.

The LP Series is offered with astandard 5-pin female connector.The highly flexible, low-masscable prevents disruption of themeasurement.

Standard Package

Document Part Number: 6020-0001-02 Rev A

acce

lero

met

ers

p h o n e : 4 0 8 . 9 6 5 . 3 3 0 0 f a x : 4 0 8 . 3 2 4 .4 8 4 0 e - m a i l : i n f o @ x b o w . c o m w e b : w w w . x b o w . c o m

C

13

Notes1 -3dB, DC coupled sensorSensitivity is ratiometric to supply: Vout = [Vs/2 + (sensitivity x Vs/5 x accel)]. Zero g Output is ratiometric to supply,proportional to Vs/2. Non-linearity is the deviation from a best fit straight line at full scale. Transverse sensitivity is errormeasured in the primary axis output created by forces induced in the orthogonal axis. Transverse sensitivity error is primarilydue to the effects of misalignment. Zero g drift is specified as the typical change in 0 g level from its initial value at +25°Cto its worst case value at Tmin or Tmax. Specifications subject to change without notice.

High Temperature Package

PerformanceInput Range (g) ± 4 ± 10 ± 25 ± 5%Zero g Drift (g) ± 0.2 ± 0.5 ± 0.5 0°C to 70°CSensitivity (mV/g) 500 ± 25 200 ± 10 80 ± 4Transverse Sensitivity (% Span) ± 5 ± 5 + 5Non-Linearity (% FS) ± 0.2 ± 0.2 ± 0.2 typicalAlignment Error (deg) ± 2 ± 2 ± 2 typicalNoise (mg rms) 10 10 10 typicalBandwidth (Hz) 1 DC -100 DC -100 DC -100

EnvironmentOperating Temp. Range (°C) -40 to +85 -40 to +85 -40 to +85Shock (g) 2000 2000 2000

ElectricalSupply Voltage (Volts) + 5.0 + 5.0 + 5.0Supply Voltage -R option (VDC) + 8.0 to 30 + 8.0 to 30 + 8.0 to 30Supply Current (mA) 5/axis 5/axis 5/axis typicalZero g Output (Volts) + 2.5 ± 0.1 + 2.5 ± 0.1 + 2.5 ± 0.1 @25°CSpan Output (Volts) ± 2.0 ± 0.1 ± 2.0 ± 0.1 ± 2.0 ± 0.1

Output Loading > 10 kΩ, < 1 nF > 10 kΩ, < 1 nF > 10 kΩ, < 1 nFPhysical

Standard packageSize (in) 0.78 x 1.75 x 1.07 0.78 x 1.75 x 1.07 0.78 x 1.75 x 1.07

(cm) 1.98 x 4.45 x 2.72 1.98 x 4.45 x 2.72 1.98 x 4.45 x 2.72Weight 1.62 oz (46 gm) 1.62 oz (46 gm) 1.62 oz (46 gm)

Aluminum packageSize (in) 0.95 x 2.00 x 1.20 0.95 x 2.00 x 1.20 0.95 x 2.00 x 1.20

(cm) 2.41 x 5.08 x 3.05 2.41 x 5.08 x 3.05 2.41 x 5.08 x 3.05Weight 2.40 oz (68 gm) 2.40 oz (68 gm) 2.40 oz (68 gm)

CXL04LP1 CXL10LP1 CXL25LP1CXL04LP1Z CXL10LP1Z CXL25LP1ZCXL04LP3 CXL10LP3 CXL25LP3 RemarksSpecifications

Document Part Number: 6020-0001-02 Rev A

Pin Diagram

Pin Color Function1 Red Power In2 Black Ground3 White X-axis Out4 Yellow Y-axis Out5 Green Z-axis Out

Ordering InformationModel Axes Span Sensitivity Noise Bandwidth

(g) (mV/g) (mg rms) (Hz)CXL04LP1 X ± 4 500 10 DC-100CXL04LP1Z Z ± 4 500 10 DC-100CXL04LP3 TRI ± 4 500 10 DC-100CXL10LP1 X ± 10 200 10 DC-100CXL10LP1Z Z ± 10 200 10 DC-100CXL10LP3 TRI ± 10 200 10 DC-100CXL25LP1 X ± 25 80 10 DC-100CXL25LP1Z Z ± 25 80 10 DC-100CXL25LP3 TRI ± 25 80 10 DC-100OPTIONS-R Voltage Regulator, 8 – 30 VDC input-AL High Temperature Package (see package drawing above)

ANEXO 6

ACTUADOR DE SIMPLE EFECTO ECM13-10E

ELECTROIMANES LINEALES DE SIMPLE EFECTO SERIE ECM

Tesión nominal: 24V d.c. (otras tensiones bajo demanda) Grado de protección: IP-40

Núcleo móvilCarrera "s"

Longitud del cable= 150mm

ECM13-10/E (Empujando)

Carrera "s"

Longitud del cable= 150mm

ECM13-03/T (Tirando)

Resorte de retorno bajo demanda

Fuerza magnetica (N) Dimensiones

Tamaño Carrera “s”

Factor de marcha (ED) %

Consumoa 20º (W) Principio

carrera Final

carrera øA B C D E F G øH I J K øL øM

Peso Kg

100 4 0,010 0,1 40 10 0,020 0,2 25 16 0,035 0,3 15 25 0,040 0,45

ECM13 3

5 80 0,075 0,6

13 12 0,025

100 4 0,015 0,25 40 10 0,020 0,34 25 16 0,040 0,40 15 25 0,075 0,50

ECM13 10

5 80 0,110 0,70

13 30

3 6,6 14,5 17,5 12,5 5 1,8 6,5 M-10 2 1,6

0,030

100 7 0,030 0,65 40 17 0,100 0,95 25 28 0,150 1,10 15 45 0,300 1,30

ECM19 14

5 140 0,600 2

19 40 4 9,5 19 24 15 8 2,5 10 M-14 3 2,5 0,080

100 10 0,100 2 40 25 0,350 2,50 25 40 0,400 2,90 15 65 0,800 5

ECM25 16

5 200 1,200 6

25 51 4,5 9,5 19,5 24,5 20 11 3 10 M-18 3 3 0,190

Para ampliar datos, solicitar las hojas técnicas correspondientes. Otros valores de fuerza, carrera, factor de marcha, dimensiones etc, consultar. Nafsa S.L. se reserva toda posibilidad de modificación. Nafsa S.L. Txorierri Etorbidea, 18. 48180 LOIU. Tel. 944 53 10 61 / Fax. 944 53 28 64 / www.nafsa.es / e-mail. [email protected]

MEDICIÓN DE VARIABLES PARA EL DESARROLLO DE...

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